碳纳米管和石墨烯在储能电池中的应用

自碳纳米管(CNTs)在1991年被Iijima报道以来，这种具有一维纳米尺寸的管状碳材料以其独特的力学、电学、热学及光学特性，在电极材料、医学、储氢装置和催化剂等诸多领域得到了广泛的应用。锂离子电池领域是碳纳米管最具潜力的应用方向之一。

石墨烯是碳材料家族的新成员，它是由碳原子以sp2杂化轨道组成的只具有一个原子层厚度的单层片状结构材料。同碳纳米管一样，石墨烯也以其诸多优点而被广泛的应用于储能电池领域：(1)石墨烯具有极高的比表面积；(2)石墨烯的电导率远超其他碳材料；(3)石墨烯衍生物如氧化石墨烯(GO)与还原氧化石墨烯(RGO)上含有的大量官能团与缺陷位可以作为多种金属及金属氧化物纳米粒子的生长位点。

一、用于锂离子电池复合电极材料

1、基于碳纳米管的复合电极材料

由于碳纳米管自身导电性能优异且易于构筑完善的电子传导网络，因而可将其作为导电结构与锂离子电池电极材料结合，以获得具有良好电化学性能的复合电极材料。碳纳米管与电极材料的复合方法灵活多变，通过凝胶-溶胶法、水热法、化学沉积法、气相沉积法以及物理研磨等方法均可获得碳纳米管在其中均匀分布的复合电极材料。

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2、以石墨烯为基底的复合电极材料

随着条件温和、低成本和大批量的石墨烯制备技术的不断发展，以石墨烯为基底的复合锂离子电池材料得到了广泛的研究，其应用涵盖了负极材料如Si、Ge、Sn、Mn3O4、SnO2、Co3O4、Fe3O4、CuO、TiO2、MoO2，正极材料如Li3V2(PO4)3、V2O5、LiFePO4、LiMn2O4及LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等。石墨烯基复合材料的制备通常有两种方法:一种是通过物理混合将已制备的活性电极材料直接沉积于石墨烯或氧化石墨烯基底。另一种是将活性电极材料原位反应生长于石墨烯或氧化石墨烯基底。

二、用作锂离子电池负极活性材料

1、碳纳米管负极活性材料

假设锂离子可扩散并稳定的存储于单壁碳纳米管的内外表面，甚至多个紧密堆积的碳纳米管的间隙位，则能够获得的理论储锂容量可高达1116mAh/g。为了能将如此巨大的理论容量转化为实际可应用的稳定的可逆容量，研究者们采用了如优化碳纳米管制备方法与电极结构以及通过机械与化学后处理的方法来增加碳纳米管的导电能力与可逆嵌锂缺陷位数量的设计思路，不断对碳纳米管负极活性材料的性能加以改进。此外，通过杂原子掺杂的方法，不但可在碳纳米管上引入大量缺陷位，同时由于氮原子拥有1对孤对电子可为电子导带提供额外的电子与电子载体，因而也可提升含氮碳纳米管的导电能力，从而提升电极的倍率性能与循环寿命。

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2、石墨烯类负极活性材料

石墨烯类材料根据其官能团化程度的不同，可划分为石墨烯、还原氧化石墨烯以及氧化石墨烯材料。这些材料虽然在物理与化学性质上都多有差异，但在用作锂离子电池负极活性材料时均表现出远高于传统石墨的容量性能。

三、用作新型锂硫电池复合导电载体

1、碳纳米管/硫复合结构

通过简单的共热处理或者原位液相反应即可将硫均匀地负载在碳纳米管上，获得具有良好导电性能的碳纳米管/硫复合结构。根据负载形式与载体的不同，可分为硫包覆碳纳米管的复合结构、硫封装入碳纳米管的复合结构以及碳纳米管与其他导电材料组成的复合载体。

2、石墨烯类材料/硫复合结构

不同的石墨烯类材料在锂硫电池中用作导电支撑结构时能够发挥出不同的作用，但其一般都具有以下优点：首先，石墨烯类材料本身具有极高的导电能力，将硫单质与其复合，可以显著降低硫电极的电阻抗、提升活性材料的利用效率并有效提高倍率性能；其次，石墨烯类材料比表面积较高，可以通过将硫包覆在两个临近的石墨烯片层内，均匀负载较大质量的硫单质并有效抑制多硫化物的流失。另外，石墨烯独特的弹性物理结构还可为硫电极在脱嵌锂过程中巨大的体积变化提供缓冲空间，从而有效提高锂硫电池的循环稳定性。

储能电池在人们的日常通信及绿色出行等领域发挥着日益重要的作用，这就对先进的锂离子电池与锂硫电池电极制备技术提出了更高的要求。大量研究成果表明以碳纳米管与石墨烯为代表的纳米碳材料因其优异的导电能力、良好的机械性能以及独特的形貌与结构特征，可在不同的应用模式下显著提高储能电池的容量性能、倍率性能以及循环寿命。