解析锂离子电池负极材料：石墨与石墨烯

锂离子电池正极材料:石墨和石墨烯

石墨

据媒体估计，今年随着电动汽车的快速发展，锂离子电池需求激增，将带动石墨行业下行。虽然石墨价格和销量还没有回升，但投机者对石墨需求收紧的前景仍持乐观态度。

石墨是碳的同素异形体，两者密切相关。同素异形体是由同一元素构成的不同结构的基本元素。石墨是最稳定的碳。钻石是碳的亚稳态同素异形体。虽然它比石墨(自然界最坚硬的物质)硬得多，但却不如石墨稳定。

石墨一词来源于希腊语graphein，它耐高温、耐腐蚀、导电性好、导热性好、化学功能稳定，加起来比铝轻。除了用于锂离子电池的阴极数据，高质量石墨还可用于燃料动力电池、太阳能电池、半导体、发光二极管和核反应堆。

碳纤维是由碳原子结合在一起的微晶材料。它的直径只有5-10米，大约是人类头发直径的十分之一，但它的强度非常高。碳碳键沿着聚合物基体形成键，就像织布相同。碳纤维比钢强，但比钢轻。碳纤维用于高尔夫球杆、自行车车架，并有望取代铝用于汽车和飞机的结构框架，如波音787和空客350X。

如今，石墨只占全球电池需求的5%。石墨有两种来源:一种是天然矿石，另一种是煤焦油的成分。用于锂离子电池的石墨材料通常是由55%的石墨和45%的低纯度天然石墨混合而成。

制造商曾经偏爱石墨的成分，因为它比天然石墨更均匀、更纯净。然而，今天，使用现代化学方法净化天然石墨，使其热处理达到99.9%的纯度，比99%纯度的组成石墨更受欢迎。

与组成石墨相比，纯化的天然鳞片石墨的结晶度更高，电导率和导热性更好。此外，天然石墨有望降低锂离子电池的生产成本，使电池性能达到或更好。用于锂离子电池的石墨现在每吨售价为1万美元，而由天然石墨薄片制成的球形石墨每吨售价仅为7000美元(2015年的价格)，天然石墨原料甚至更便宜。

可以预计的是，石墨最终会被天然石墨所取代，在未来，天然石墨更便宜，更环保。石墨烯是由天然石墨制成的，是科学家为我们描绘的另一幅蓝图。

石墨烯

石墨烯是另一个碳的同素异形体,是一种薄膜的六角形晶格结构,只有一个碳原子层厚度、灵活性的特点,透明、防水和强大的比钻石更简单的比黄金导电,在每个碳原子有三个电子,电子,与最近邻原子形成化学键。专家认为石墨烯是一种神奇的材料，可以用于许多产品，包括电池。

作为锂离子电池的阴极数据时，石墨烯的电化学储能优于石墨，充电速度是石墨的10倍，有望实现快速充电。此外，锂离子电池的负载能力也将得到提高。

关于传统的石墨阴极，锂离子沉积在表面形成树突。石墨烯完美地解决了这一问题，允许锂离子通过表面10-20nm处的小孔，并在石墨烯片之间很好地存储，从而实现快速充电和最佳储能。一旦投入使用，这种电池估计可以储存10倍于普通石墨阴极的能量。

石墨烯还可以掺入氧化钒中，改善正电极数据的电化学性能。实验研究表明，改进型正数据电池可在20秒内充满电，经过1000次循环后，容量持续率可达90%。石墨烯还被用于超级电容器和太阳能电池的研究，以期提高能量密度。图3为扫描探针显微镜(SPM)下常见的石墨烯晶格。

石墨烯的优点已经在学术界争论了几十年，但还没有商业化。令人惊讶的是，石墨烯在铅笔和其他产品中被随意使用了几个世纪。我们可能要更好地理解的机制和结构