石墨烯在锂离子电池负极材料中有什么应用？

石墨烯作为锂离子电池负极材料，当采用50mA/g的电流密度充放电时，该石墨烯电极材料的比容量为540mAh/g；再经20次循环后，容量发生一定程度的衰减。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，无论是轻薄、硬度、导热、导电，都是所有材料之最，被认为是一种未来革命性的材料。

研究发现，这可能与材料中石墨烯片层的排列方式未得到优化有关。以石墨烯纸作为锂离子电池负极材料时，循环性能就不太理想，首次循环之后，比容量就下降到100mAh/g以下(充放电电流密度50mA/g)。文献等采用热膨胀氧化石墨法制备的石墨烯，将其应用于锂离子电池负极材料中。当采用1mA/g的电流密度充放电时，其比容量可达554mAh/g。

更为惊喜的是，发现假如在其中掺入C60和碳纳米管后，其比容量可高达784mAh/g。研究证明，石墨烯材料虽具有非常高的锂离子扩散速率，作为锂离子电池负极材料时，首次可逆比容量较高，但经过几次循环后，容量衰减严重，并且充放电曲线滞后严重，因此很难单独作为电极材料使用。而石墨烯独特的柔性结构若与高容量金属或氧化物粒子复合用作负极材料则具有得天独厚的优势。

与传统锂离子电池负极材料相比较，石墨烯作为锂离子电池负极材料时，可有效提高相应电池的比容量，增强电极和电解液之间的导电接触，改善其充/放电倍率性能。同时，石墨烯柔韧的单原子层二维结构也可有效抑制电极材料在充放电过程中发生体积变化引起的材料膨胀、粉化等，从而提高电池的循环稳定性。

此外，通过化学氧化插层剥离再还原法合成的化学还原石墨烯表面含有特定的含氧化学基团，如羧基、羟基和环氧基等，可为其结构和表面功能改性以及与其他材料的复合供应丰富的反应和键合位点，也为三维超结构石墨烯基复合材料的设计和合成供应多种可能的途径。

由于石墨烯片之间较强的π-π叠合用途，石墨烯可团聚形成类似于石墨的层状结构，进而影响锂离子的嵌脱。这也证明纯石墨烯并非是一种理想的锂离子电池电极材料。

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离子电池负极材料研究。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。

1.国际石墨烯发展现状。目前国际上从事石墨烯产业研究的国家包括英国、美国、欧盟、韩国和日本等，各国发展状况不同。

英国：作为石墨烯的诞生地，英国在石墨烯的基础研发方面居于全球领先地位，但从事商业开发的石墨烯公司较少，因此在石墨烯应用方面并非其强项。

美国：美国对石墨烯的研究投入较早，石墨烯产业化和应用进程相对较快，其产业布局也呈现多元化，产业链相比较较完整。

欧盟：欧盟的石墨烯研究起步早且系统性强，并将石墨烯研究提升至战略高度，资金支持力度大，基础研究扎实。

韩国：韩国石墨烯产业发展产学研结合紧密，在基础研究及产业化方面发展较为均衡，整体发展速度较快。

日本：日本依托其良好的碳材料产业基础，是全球最先进行石墨烯研究的国家之一，产学研结合较为紧密，整体发展较为全面。

2.国内石墨烯发展现状。从专利数量上来看，我国国内石墨烯领域专利申请量重要集中在长三角地区，其中江苏的申请量居于首位(4102件)，广东(2537件)和北京(2333件)次之，而东北和西部地区的专利申请量较低。从产业集聚度来看，国内目前的石墨烯公司大多分布在东部沿海一带，尤其是长三角、珠三角、京津冀鲁聚合区。