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作者:龙8国际娱乐手机登录发布时间:2018-10-03 11:40

与其他种类的二次电池相比,锂离子电池具有 高能量密度、高电压、无记忆效应、低自放电率等优点,在日用电子产品(如手机、手提电脑、摄像机、电玩)、电动汽车(EV/PHEV/HEV)以及储能电站等领域得到普遍应用。随着锂离子电池在军事及航空航天领域应用的逐步增加,其对锂离子电池的 环境适应性以及安全性也提出了更高的要求。

近年来,石墨烯(graphene)因其优异的性能,备受关注。石墨烯是由单层碳原子六方键合而成的理想二维晶体,其中每个碳原子以sp 2杂化轨道与相邻的三个碳原子通过σ键相连接,使石墨烯骨架具有很 好的结构稳定性。此外,上述碳原子其余的p电子轨道垂直于石墨烯平面,与周围的原子形成超大的离域π键,π电子在晶格中的离域化使石墨烯拥有很好的载流子传导和热传输性能,热导率约为5000 W·(m·K)–1,锂离子迁移率为10–7~10–6S·cm–1)。

因此,石墨烯被认为是理想的锂离子电池电极材料(或辅料)。石墨烯的使用不仅可以提高锂离子电池的电化学性能,也有望提高电极材料乃至电池整体的热传导性能。目前,有关利用石墨烯改进锂离子电池正极(主要是磷酸铁锂,LiFePO4)和负极材料电化学 性能的研究已有很多报道,某些研究结果已逐步实现了工业化应用。

本文对石墨烯在锂离子电池正 负极材料中的应用情况进行了简要介绍,并分析了石墨烯在锂离子电池应用中面临的主要问题。

1 石墨烯在锂离子电池正极材料中的应用

关于石墨烯在锂离子电池正极材料中的应用近两年来得到了较广泛的研究。例如,橄榄石型结构 的磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料,具有原料来源丰富、价格低廉、环境友好、比容量较高且循环稳定等优点,但是较低的离子迁移率和电子电导率在一定程度上限制了其广泛应用。为此,Wang和Zhang等利用水热法制备了LiFePO4/graphene复合材料,发现LiFePO4可以附着于石墨烯的表面,LiFePO4/graphene的比容量在0.1C 下达到160.3 mAh·g–1,在10C下达到 81.5 mAh·g–1。通过XRD、SEM和EIS等测试发现石墨烯的引入不仅提高了材料的导电性,同时也可减小LiFePO4颗粒的尺寸, 使锂离子扩散速率得到提高。

Cui等发现由LiMnl–xFexPO4纳米棒和石墨烯复合而成的LiMnl–xFexPO4/graphene 复合材料在50C和100C的大电流密度下的比容量仍分别可达107和65mAh·g–1。

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其比容量会急剧下降

在本课题组的前期研究工作中发现(图1为石墨烯/聚苯胺化学修饰 LiFePO4的 FE-SEM 形貌和电化学性能数据图),在氧化还原作用下,石墨烯与导电高分子聚苯胺可高效均匀地附着/包覆于LiFePO4表面,合成三维网络结构的LiFePO4/graphene/PANI纳米复合材料,以其为电极组装而成的半电池电化学性质研究发现,即便在较大充/放电电流密度20C和25C的条件下,其可逆比容量仍可分别达到80和72 mAh·g–1。在2C电流 密度下充/放电1000次后,其比容量并未有明显的衰减。

此外,人们也探索了利用石墨烯改善钴酸锂(LiCoO2)和锰酸锂(LiMn2O4)正极材料电化学性能的相关科学问题。研究发现石墨烯的表面褶皱使其能有效地包裹于LiCoO2颗粒表面,形成面接触的导电界面,有利于提高LiCoO2的电化学反应活性、放电比容量和高倍率循环性能。LiCoO2/graphene在20C下的放电比容量达到132.1mAh·g–1。与LiMn2O4复合后,石墨烯在提高其离子和电子电导率的同时,可有效地改善LiMn2O4作为电极材料时的循环稳定性。

Fang等研究了采用氧化石墨烯包覆的 LiNi0.5Mn1.5O4作为锂离子电池的正极材料,复合后的材料具有优异的循环寿命和倍率性能。

2 石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用

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提供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提供多种可能的途径。

实验研究发现,由纯石墨烯所构建的锂离子电池负极,其在较低充/放电电流密度(0.05~0.1A·g–1)下,首次充/放电的比容量可高达1264 mAh·g–1, 远高于目前商业化的石墨基负极的比容量(372mAh·g –1)。但是,在较高充/放电电流条件下,其比容量会急剧下降,循环稳定性也较差。主要原因是将纯的石墨烯作为锂离子电池负极时,由于石墨烯片之间较强的π-π叠合作用,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。

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