石墨烯锂电池原理,石墨烯在锂电池负极材料的应用

来源：存能电气  日期：2019-08-21 13:35  浏览量：次

　　石墨烯锂电池原理，石墨烯在锂电池负极材料的应用。随着传统燃煤发电对环境的污染，以及核电的安全问题等原因，近年来太阳能光伏行业作为一种新型绿色能源越来越受到人们的重视。目前，对于石墨烯材料在发电和储能领域的研宄主要集中于利用石墨烯替代碳作为锂电池和超级电容器的电极材料。但是，还未有直接利用石墨烯作为发电和电池器件主要功能部件的研宄。本篇文章就介绍石墨烯锂电池原理及在锂电池负极材料的应用。

　　石墨烯锂电池原理

　　石墨烯，是由碳原子组成的单原子层平面薄膜，厚度仅为0.34纳米，单层厚度相当于头发丝直径的十五万分之一。是目前世界上已知的最轻薄、最坚硬的纳米材料，透光性好，能折叠。自问世以来，就因为其强大的导电性能被看做革命性的储能材料，按照新国标检测，其循环寿命达4000次以上，使用温度范围从零下30摄氏度至零上70摄氏度。在保证一定续驶里程的基础上，可实现大电流快速充电和超长的循环使用寿命。

　　铜离子具有双重正电荷，穿过溶液的速度约每秒300米，因为溶液在室温下的热能量。当锂离子猛烈撞入石墨烯带时，碰撞会产生足够的能量，使不在原位的电子离开石墨烯。电子有两种选择：可以离开石墨烯带，和铜离子结合，也可以穿过石墨烯，进入电路。

　　流动的电子在石墨烯中更快，超过它穿过溶液的速度，所以电子自然会选择路径，穿过电路。释放的电子更倾向于穿过石墨烯表面，而不是进入电解液。设备就是这样产生电压的。

　　石墨烯锂电池正负极材料方面的优势

　　1)石墨烯具有超大的比表面积(2630m2/g)，可降低锂电池极化，从而减少因极化造成的能量损失。

　　2)石墨烯具有优良的导电和导热特性，即具备良好的电子传输通道和稳定性。

　　3)石墨烯片层的尺度在微纳米量级，远小于体相石墨的，这使得Li+在石墨烯片层之间的扩散路径缩短；片层间距的增大也有利于Li+的扩散传输，有利于锂离子电池功率性能的提高。

　　石墨烯在锂电池负极材料的应用

　　随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源锂电池领域。

　　纯石墨烯材料由于低、首次循环库仑效率充放电平台较高以及循环稳定性较差，并不能取代目前商用的碳材料直接作为锂离子电池负极材料使用。但石墨烯可以作为一种优异的基体材料在锂电池复合电极材料中发挥更大的作用。将石墨烯与天然石墨、碳纳米管、富勒烯等碳材料复合，能利用石墨烯的特殊片层结构，改善材料的力学性能和电子传输能力。同时，掺杂后的石墨烯片层间距增大，提供更多的储锂空间。

　　此外，石墨烯还可以用于改性其他非碳基负极材料。目前研究的锂电池非碳基负极材料主要有锡基、硅基以及过渡金属类为主的电极材料，这类材料具有高理论容量，但其缺点是在嵌锂/脱锂过程中体积膨胀收缩变化明显。石墨烯掺杂改性后的复合材料能改善这两种材料单独使用时的缺点。

　　●应用优势

　　1.石墨烯片层柔韧，可有效缓冲金属类电极材料的体积膨胀；

　　2.石墨烯优异的导电性能可以增强金属电极材料的电子传输能力；

　　3.石墨烯表面的活化核点能控制在其表面生长的金属氧化物颗粒保持在纳米尺寸，改善材料的倍率性能；

　　4.复合材料的比容量相对于纯石墨烯有较大提高；

　　5.金属或金属氧化物的纳米颗粒能保护石墨烯表层，防止电解质插入石墨烯片层导致电极材料剥落现象。

　　石墨烯在锂电池电极材料展现的优势是该领域较为关注的一个方面，为使电极材料性能发挥其本身具有的高容量潜力该方法将是较为可行的方法。在实现大规模工业化生产单层或几层石墨烯材料后，石墨烯将在锂电领域大展拳脚。未来的石墨烯锂电池应该会有更好的表现和更低的价格，对此值得期待。