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石墨烯材料在锂离子电池中的应用

作者:未知

  摘 要:伴随着科技的发展和移动终端的全面普及,电动交通工具的广泛推广和资源的存储利用等现代科技都与电池技术息息相关。锂离子电池是作为储能领域的主流技术,有着极高的发展前景。石墨烯凭借其自身的高电导率、超大比表面积和高化学稳定性等独特、优异的物理和化学特性而在锂离子电池中占据重要地位,被广泛使用于锂离子电池的正负极材料中。
  关键词:石墨烯;锂离子电池;正负极材料;应用
  一、锂电子电池概述
  目前锂离子电池在中国各类储能技术装置规模中占到了66%的比例,作为国内储能市场中的主流技术,锂离子电池在移动终端、电动汽车等领域也有着广泛的应用前景。能量密度较高、可逆容量较大、开放电压大、使用寿命较长等是锂离子电池所具有的独特特点,这使它具有了其他电池不可比拟的优势。锂离子电池包括四大主要部件:正负电极,电解质和隔膜。传统的锂离子电池导电添加剂主要有乙炔黑和炭黑等物质组成,通过点对点的方式,导电添加剂与正负极活性材料粒子相互接触,由此带来了较大的热阻抗,高温给锂电池组带来了极大的安全隐患。因此,对于可以提供高效导电网络的新型电池导电添加剂材料的需求就变得极为迫切,新型材料不仅能降低添加量,也能大幅提升正负极电极的导电能力,降低电池成本,同时也可改善锂离子电池的倍率和充放电循环性能。
  二、石墨烯概述
  作为一种具有平面二维结构的纳米材料,石墨烯由碳原子组成,呈现六角形、蜂巢状,由于其厚度仅有一个碳原子的直径大小,因此具备着多种独特的特性,例如其具有极好的导电性能,是目前被人类发现的电阻率最小的材料。此外,石墨烯还具有出色的导热性能,其单层材料理论室温下热传导率极高,石墨烯电池在工作时易产生大量热量,高温易导致元件损坏甚至引发火灾等位线,而石墨烯具有的导热性质可以被用于电池散热研究中,这保证了石墨烯材料在锂离子电池发展前景中占据着重要的地位。
  三、石墨烯在锂离子电池中的应用
  (一)石墨烯在正极材料中的应用
  目前常用的锂离子正极材料大多都是半导体,例如目前较为常见的锂离子电池正极材料磷酸铁锂(LiFeP04)。这些半导体材料都应满足较大可逆容量、电力储存能量高并具一定稳定性、绿色环保、对环境无危害以及制作成本低廉等特点,但目前使用的LiFeP04还存在着一些缺点,例如存在电导率较差,锂离子迁移率较低等,无法全面推广使用。因此,若结合现代技术,将LiFeP04材料与石墨烯复合,则可以提高其导电能力,使倍率性能得以改善。
  (二)石墨烯在负极材料中的应用
  石墨烯直接作为锂离子电池的负极材料,其比容量为540mAh/g;由于石墨烯具有较大的比表面积,科学家将石墨烯纳米片用于锂电负极材料时刻提高其可逆容量,在多次循环后其可逆容量损耗率较低。
  另外,石墨烯与金属氧化物、合金材料复合后可用作锂离子电池的负极材料,例如锡基、硅基氧化物等材料。更具纳米材料自身特性,利用石墨烯材料的导电性能和结构特点加以改造,将会提高锂离子传输速率,改善锂离子电池的倍率性能,以弥足原材料的不足和诸多缺陷,降低成本费用。
  (三)石墨烯在锂离子电池中的其他应用
  如上文所述,石墨烯具有非常出色的导电性能,将其作为导电添加剂时,将会大幅提升电池的导电率。有调查研究表明,在Si纳米材料中添加石墨烯后形成的复合材料的性能比一般的导电添加剂如天然石墨等更为优越,且其循环可逆比容量大幅提升,多次循环后损耗极小,降低了成本。而当石墨烯材料作为导电添加剂加入到石墨材料中也会优化石墨材料自身的导电性能。
  此外,當在苯二甲酸乙二酯表面涂上石墨烯薄膜时,由于石墨烯自身具有的力学强度和韧性,使该复合材料具有极强的柔性和较低的密度,使材料性能得以优化,在制备可变性强的锂离子电池中具有广阔前景。目前科学技术正在不断发展,终有一天添加有石墨烯材料的复合型柔性电极材料应用于可穿戴式电子设备中指日可待。
  四、石墨烯锂离子电池的应用前景
  石墨烯和石墨烯复合电极在锂电子电池的电压特性、内阻、充放电性能、循环性能、赔率性能、比容量等重要化学性能方面表现出了其难以替代的优越性。随着石墨烯复合材料在锂离子电池中的广泛应用,其独特的优势使其在锂离子电池中成为被关注的焦点,并具有广阔的前景。但是,在现阶段,石墨烯电极材料的开发和使用还处于初级阶段,许多问题还未得到解决。近年来对于石墨烯电极材料性能方面的优化研究极为重视,主要集中于以下几个方面:
  (1)提高电极材料中电子传递速率和脱嵌锂离子速率,优化锂离子电池自身性能,实现快速充电;
  (2)提高电池可逆比容量,改善电池充放电性能,延长电池寿命;
  (3)不断创新、开展新型生产工艺,使产业结构得以优化,从根本上降低石墨烯电极材料的生产成本,提高石墨烯产量,实现商业化生产,加大对其的推广力度;
  (4)化学性质较稳定的复合型材料往往具有绿色环保无污染的特点,要保持生态健康、创造绿色环境,就要大力开发复合型材料,降低电池材料对自然环境的污染,并防止其可能产生的安全隐患,实现利润与环境保护的双赢。
  总的来说,由于石墨烯材料自身的特性,决定了其在锂离子电池的研究和发展中具有十分重要而广泛的价值。相信在未来,经过世界各个国家的科研人员的共同努力研究和探索,石墨烯材料一定能在多个领域发挥其独特的价值,造福人类。
  参考文献:
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  [3]刘玲玲,张红梅.石墨烯在锂离子电池中的应用[J].当代化工研究,2018(06):65-66.
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