石墨烯备受关注 在锂电领域将如何大展拳脚

“绿色”的能量储运体系已成为当前能源领域的关注热点，锂电作为其中重要的一个分支，其性能的提升是科研工作者关注的重点。随着研究的不断发展，高性能锂电电极材料层出不穷。实际应用中，所制备材料性能无法完全发挥是制约其实现高能量密度、高功率密度的关键。石墨烯的高导电性、高导热性、高比表面积、等诸多优良特性，一定程度上对解决该问题有着非常重要的理论和工程价值。石墨烯在用作锂离子电池正负极材料方面具有以下优势：

1)石墨烯具有超大的比表面积(2630m2/g)，可降低电池极化，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。

下文主要总结了石墨烯在锂电正负极电极材料中的应用及其优势。

1.石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用

石墨烯直接作为锂离子电池负极材料

石墨烯直接储锂的优点：1)高比容量：锂离子在石墨烯中具有非化学计量比的嵌入?脱嵌，比容量可达700~2000mAh/g；2)高充放电速率：多层石墨烯材料的层间距离要明显大于石墨的层间距，更有利于锂离子的快速嵌入和脱嵌。大多研究也表明，石墨烯负极的容量有540mA·h/g左右，但由于其表面大量的含氧基团充放电过程中分解或与Li+发生反应造成电池容量的衰减，其倍率性能也受到较大影响。

杂原子的掺杂带来的缺陷会改变石墨烯负极材料的表面形貌，进而改善电极-电解液之间的润湿性，缩短电极内部电子传递的距离，提高Li+在电极材料中的扩散传递速度，从而提高电极材料的导电性和热稳定性。例如掺杂的N、B原子可使石墨烯的结构发生形变（图1），在50mA/g倍率下充放电，容量为1540mAh/g，且掺杂N、B后的石墨烯材料可以在较短的时间内进行快速充放电，在快速充放电倍率为25A/g下，电池充满时间为30s。

图1N、B掺杂在石墨烯晶格中的成键结构示意图

但石墨烯材料直接作为电池负极仍然存在一些缺点，包括：1)制备的单层石墨烯片层极易堆积，比表面积的减少使其丧失了部分高储锂空间；2)首次库伦效率低，一般低于70%。由于大比表面积和丰富的官能团，循环过程中电解质会在石墨烯表面发生分解，形成SEI膜；同时，碳材料表面残余的含氧基团与锂离子发生不可逆副反应，造成可逆容量的进一步下降；3)初期容量衰减快；4)电压平台及电压滞后。因此，为解决存在的这一系列问题，将石墨烯和其他材料进行复合制作成石墨烯基复合负极材料成为现在锂电池研究的热点和锂电负极材料发展的一个方向。