石墨烯在锂离子电池中的应用介绍

近十年，碳纳米管在锂离子电池领域的产业化应用得到蓬勃的发展。[10]碳纳米管在其中的重要用途是替代导电介质炭黑，提高正极材料（如磷酸铁锂（LFP），镍钴锰三元材料（NCM），镍钴铝三元材料（NCA）等）的电导性。[11-14]由于具备高电导率和特殊的一维管状结构，碳纳米管通过一维桥梁有效建立了连接正极材料颗粒的导电网络，相较于传统导电介质炭黑的点-点接触具有明显优势。新兴的石墨烯具有与碳纳米管类似的结构单元，拥有同样优异的导电性能。同时，二维的平面结构使得其可与正极材料颗粒间的形成点-面接触。因而有望在锂离子电池领域取代碳纳米管或与碳纳米管协同使用，[15-18]通过降低接触电阻而提高电池的功率密度。例如Gao等[15]将2%的石墨烯及石墨烯纳米带掺入LFP中，石墨烯及石墨烯纳米带将LFP颗粒均匀包裹并形成有效的导电网络。该正极材料的能量密度和功率密度在5C的测试条件下可分别达到1020WhL−1和5.1kWL−1。Wei等[16]利用石墨烯作为导电介质添加到LFP电极中，在30C和50C的条件下仍可获得103.1mAhg-1和68mAhg-1的容量。同时，由于石墨烯的制备方法种类多，可以获得不含金属杂技的石墨烯。相较而言，有竞争力的碳纳米管的制备方法多为金属催化剂存在下的化学气相沉积法。部分石墨烯的处理成本可能会比较低，且纯度可能高于碳纳米管，也有望获得性能更加稳定的锂离子电池器件。然而，相较于正极材料，石墨烯本身可供应的电池容量极低，[19,20]因而作为导电介质，过多的添加石墨烯将会降低锂离子电池的能量密度。

此外，也有将石墨烯用于锂离子电池负极的报道，其重要思路是利用石墨烯新增负极侧的堆积孔容，从而抑制负极材料在充放电过程中的体积膨胀效应。[21-24]Teng等[21]将MoS2垂直生长于石墨烯片层上（图1b），通过C−O−Mo的键合用途，使石墨烯不仅对MoS2起到均匀分散的效果，还对充放电过程中电极的体积变化起到缓冲的用途。该MoS2/石墨烯负极材料在100mAg-1的条件下经过150次循环后仍保持1077mAhg-1的容量。然而，负极添加石墨烯存在首次库伦效率下降严重的问题，[25,26]会导致锂的大量无谓消耗，从商业角度上没有经济竞争性。从这点考虑，目前的商用负极更倾向于表面积极低的材料(大部分小于2m2g-1)，而非碳纳米管或大面积的石墨烯(大多高于几百m2g-1)。