石墨烯正极材料和负极材料在锂电池中的应用

来源：存能电气  日期：2019-07-08 14:26  浏览量：次

　　石墨烯正极材料和负极材料在锂电池中的应用。石墨烯被认为是理想的锂离子电池电极材料。石墨烯的使用不仅可以提高锂电池的电化学性能，也有望提高电极材料乃至电池整体的热传导性能。

　　石墨烯用做锂电池负极材料，相对于传统炭系材料并无性能上的明显优势，而且纳米材料应用困难，成本高昂，发展前景堪忧。众所周知石墨烯具有高导电性、高导热性、高比表面积、高强度和刚度等诸多优良特性，在储能、光电器件、化学催化等诸多领域获得了广泛的应用。

　　石墨烯锂电池在正极材料中的应用

　　锂电池的正极材料例如常用LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4都是不良的电子导体，它们的电导率分别为10-4、10-6和10-9Scm-1。在目前现有的锂离子电池体系中，电池使用的正负极材料本身具有较低的离子与电子电导率，这是影响和限制锂电池充放电循环和倍率性能的主要因素。

　　所以为了充放电过程中充分有效利用正极材料同时能提高锂电池的倍率性能，要在正极材料中加入导电剂，传统的导电剂一般是石墨。而石墨烯本身具有非常高的电子传导率，用石墨烯作为导电添加剂是其在锂电池中最直接，也是最广泛的应用。

　　石墨烯三元正极材料和导电浆料是动力电池的核心材料，直接关系着动力电池的性能。石墨烯改性三元材料在倍率性能和循环稳定性方面明显优于传统三元材料，能够大幅提高新能源汽车的续航里程。三元正极材料的投产，将大大提高锂电池的倍率性能，降低了锂电池的内阻，进而从材料上解决电池续航时间短的瓶颈问题，可满足国内国际动力汽车锂电池亟需的技术及规模需求。

　　石墨烯作为导电剂的问题

　　对于石墨烯导电剂的实际应用，需要综合考虑石墨烯对电子电导的“面-点”促进作用和对离子传导的“位阻效应”；针对导电剂用量和最终电池的能量/功率密度综合考虑设计电极的厚度。对于LFP体系的锂离子电池，由于石墨烯对锂离子传输的影响非常强，所以需要特别注意电极的厚度。

　　石墨烯在负极材料中的应用

　　目前锂电池常用的负极材料是石墨，用石墨烯作负极材料的优势有：

　　（1）石墨烯导电性能好，耐腐蚀，用作负极材料可以增强活性物质与集流体的导电性；

　　（2）石墨烯片层作为单层二维结构，原则上不存在体积膨胀，所以结构稳定，充放电快，循环性能好；

　　（3）纳米颗粒原位法合成于石墨烯表面形成基复合材料，通过控制其生长颗粒的尺寸，从而缩短锂离子和电子扩散距离，改善材料的倍率性能；

　　（4）纳米颗粒均匀覆盖在石墨烯表面，一定程度能防止石墨烯片层聚合和电解质浸入石墨烯片层，导致电极材料失效。

　　因此，近两年来石墨烯基纳米复合材料，如石墨烯/碳纳米管、石墨烯/碳60（C60）、石墨烯/无机纳米粒子等复合材料被广泛地应用于锂电池负极材料研究。通过纳米粒子与石墨烯之间的有效复合，可有效阻止石墨烯片之间的叠合/团聚，有利于锂离子的嵌脱。

　　石墨烯具有大的比表面积、良好的机械性能和导电性、高的化学稳定性，使其有望解决锂离子电池面临的有效比容量低、倍率性能差（大电流充放电）、循环寿命短、一定条件下安全性能差等问题。