新能源材料 石墨烯电池

1、2017年春季学期新能源材料-课程论文材料科学与工程研究所(系)专业材料科学与工程学生曾波学校编号1141900225班级编号1419002石墨烯电池的应用及前景曾波材料科学与工程1141900225石墨烯作为近年来的热门新材料，由于其独特的微纳尺度二维平面结构以及良好的导电性和导热性，在锂离子电池电极材料中也具有相当大的应用前景。摘要：介绍了石墨烯电池的概念和工作原理，调查了石墨烯电池的最新市场信息和商业状况，分析了石墨烯电池的特点和潜在问题，并根据现状做出了合理的展望。关键词石墨烯锂离子电池能量密度石墨烯电极材料介绍在广泛使用的新能源材料中，锂电池作为二次电池的领导者，具有开路电压高、能量

2、密度高、使用寿命长、无记忆效应、无污染、自放电率低等优点。如图1所示，锂离子电池的工作原理是正极和负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。正极主要是磷酸铁锂，负极如钴镍锰酸锂(三元材料)主要是碳棒和石墨。充电时，锂从正电极上去除，通过电解液嵌入负电极，负电极处于富锂状态，正电极处于贫锂状态，电子的补偿电荷从外部电路供给负电极，保证负电极的电荷平衡；放电时情况正好相反。由于锂的原子序数很小，锂的质量很轻，而且每单位重量的电极材料中储存的更多，所以通常锂离子电池具有较高的能量密度。然而，由于电极材料的结构和电解质的性能，锂离子电池的动力性能相对较弱，尤其是动力锂离子电池。因此，如何提高锂电池的功率密

3、度是当务之急。为了克服这一困难，有必要制备具有高储能效率的负极材料。碳材料的储锂机理复杂，虽然计算化学证明石墨烯具有较高的储锂能力，但目前制备的石墨烯可逆容量接近甚至超过理论容量的储锂机理需要进一步分析和证明。石墨烯电池是指用石墨烯掺杂和改性的复合材料代替传统锂电池的电极材料。其他碳和石墨材料的比容量较小。每6个碳原子和一个锂离子形成一个LiC6结构来储存锂离子。理论比容量为372毫安时/克，而石墨烯是由单层单原子厚度的碳原子无序松散聚集而成。这种结构有利于锂离子的插入。锂离子可以储存在该层的两侧，理论容量明显提高。此外，锂离子在石墨烯表面和电极之间的快速大规模穿梭运动也将加速充放电速度。石墨

4、烯电池有望解决目前锂电池不稳定、充电慢和容量低的问题。2石墨烯电池简介2.1石墨烯石墨烯是由碳原子sp2杂化形成的蜂窝状平面薄膜，厚度仅为0.34纳米，单层厚度相当于15万倍的发丝直径。它是世界上已知的最薄最硬的纳米材料。它具有良好的透光性，可以折叠。因为只有一层原子，电子的运动仅限于一个平面，石墨烯也有全新的电学性质。石墨烯是世界上最导电的材料。在传统手机锂电池中加入石墨烯复合导电粉，提高电池的倍率充放电性能和循环寿命。石墨烯作为“新材料之王”，被预言将彻底改变21世纪，并有可能引发席卷全球的颠覆性新技术和新产业革命。在2004年之前，大多数物理学家认为热力学波动不允许任何二维晶体在有限的温

5、度下存在，因此二维石墨烯片不能在非绝对零度独立存在。然而，在2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈-海姆教授和他的同事们首次通过微机械力从高度定向的热解石墨中分离出单一的石墨烯碳层。他的发现震惊了凝聚态物理学界。就其制备而言，化学气相沉积被认为是目前制备高质量、大面积石墨烯片材的最佳方法之一。然而，这种方法制备的石墨烯材料都是二维薄膜材料，产品面积大但质量很小，很难应用于三维块体材料。目前，氧化石墨热膨胀法和氧化石墨烯还原法是最有可能实现石墨烯大规模制备和应用的方法。此外，该有机小分子合成方法能够精确控制石墨烯片的形状、尺寸和组成，具有广阔的应用前景1。2.2石墨烯电极材料石墨烯作为负极材料的电

6、化学性能已经在2003年进行了理论研究。通过分子轨道理论计算，发现0.7纳米石墨片层间距是储锂的最佳片层间距。此时，锂离子以双层的形式储存在石墨片结构的空腔中。该层间距还可以有效地防止电解质进入片层并形成SEI膜的不可逆反应。同时，石墨烯自然形成的波纹表面也为锂离子提供了额外的储存孔。如图2b所示，如果每个单层石墨以无序的形式排列，李灿键结在每个单层石墨的两侧，材料的理论容量可以达到石墨的两倍左右，理论上，李灿被储存在石墨烯片的边缘和石墨烯堆叠形成的微孔上。此外，可以推断单层石墨材料将具有两倍于石墨的理论容量(即，744毫安/克)。理想的石墨烯表面露出全部碳原子，是真正的表面固体，具有超大的比

7、表面积，具有良好的导电性和导热性，是一种潜在的储能材料，同时石墨烯具有优异的导电性和导热性，即具有良好的电子传输通道，良好的导热性也保证了其使用的稳定性；在聚集形成的宏观电极材料中，石墨烯片的尺度在微纳量级，远小于大块石墨，这使得锂在石墨烯片之间的扩散路径变短。此外，层间间距也比结晶度好的石墨大，更有利于锂的扩散和传输。因此，石墨烯基电极材料同时具有良好的电子传输通道和离子传输通道，非常有利于提高锂离子电池的动力性能。石墨烯掺杂改性复合材料可以改善两种材料单独使用时的不足，充分发挥石墨烯与改性材料之间的协同效应。该复合材料的结构和电化学性能优势主要体现在以下几个方面： (1)石墨烯片具有柔性，

8、表面无外力卷曲起皱，能形成稳定的空间网络，能有效缓冲充放电过程中金属电极材料的体积膨胀和收缩，提高材料的循环寿命性能；(2)石墨烯优异的导电性可以增强金属电极材料中的活性物质与集流体之间的导电接触，增强材料的电子传输能力；(3)石墨烯表面的活化核可以控制石墨烯表面生长的金属氧化物颗粒保持纳米尺寸，从而减小锂离子和电子之间的扩散距离，提高材料的倍率性能。(4)大多数金属氧化物具有较高的储锂容量，复合材料的比容量比纯石墨烯有很大提高；(5)在石墨片层结构之间插入金属纳米粒子，可以扩大石墨片层间距，增加石墨烯的比表面积，从而增加锂的sto石墨烯电池不是由石墨烯材料制成的全新电池。石墨烯电池的基本工作

9、原理与引言中提到的锂离子二次电池的基本工作原理相同，只是使用石墨稀释改性复合材料作为电极材料。在正极中添加少量石墨烯可以提高正极的电子电导率，改善电池的放电速率特性，但添加量一般小于1%，所以不能说添加少量石墨烯的锂离子电池就变成了石墨烯电池，所以石墨烯电池可以称为石墨烯电池。石墨烯的研究还不完善，还存在很多问题。当将石墨烯压制而成的石墨烯纸用作锂离子电池的负极材料时，循环性能不是很理想3，即第一次循环后，比容量下降到100毫安/克以下(充电电流密度为50毫安/克)。这主要是由于石墨烯的大比表面积，这将导致材料和电解质之间的大接触面积，存储在材料中的锂离子和电解质分子之间的不可逆反应，以及SE

10、I膜。同时，碳材料表面残留的含氧基团与锂离子发生不可逆的副反应，填充了碳材料结构中的储锂孔，导致可逆容量进一步降低！此外，石墨烯片易于累积并累积成多层结构，因此由于高比表面积而失去了高锂存储空间的优势。这直接限制了纯石墨烯材料作为锂离子电池负极材料的使用，因此大量石墨烯改性负极材料如石墨烯改性锡基氧化物、石墨烯改性硅基材料、石墨烯改性过渡金属材料和石墨烯改性其他碳材料得到了研究。2.3石墨烯作为导电剂宋等人4还研究了将石墨烯添加到其他碳负极材料中(以人造石墨为例)来代替传统的乙炔黑作为导电添加剂的性能。与乙炔黑相比，石墨烯能够提供连续的导电网络，不会因循环充放电过程中活性物质的体积变化而逐渐失

11、去导电接触，从而有效提高材料的循环性能和高倍率性能。然而，从成品的角度来看，石墨烯替代传统导电添加剂的高倍率性能并不理想，实验室研究成果仅限于低覆盖率条件下循环性能和比容量的提高。3.市场应用3.1石墨烯和超级电容器超级电容器、锂电池和石墨烯的结合巧妙地将全新的石墨烯基复合碳材料引入电容器电池的正负极，实现了普通超级电容器和高能电池的集成，从而将普通超级电容器和蓄电池的优异性能结合起来。石墨烯全碳电容电池是一种全能的新型电源。本发明可以解决电动汽车的动力问题，也可以应用于水面舰艇、潜艇、无人机、导弹和航空航天领域。特别是其独特的安全性将对电动汽车行业的发展产生深远的影响。该产品结合了锂离子电池

12、的能量密度和超级电容器的功率密度的优点。根据新的国家标准，它的循环寿命超过4000次，使用温度从零下30摄氏度到70摄氏度以上。在保证一定行驶里程的基础上，可以实现大电流快速充电和长周期使用寿命。这种新型石墨烯全碳电容电池的优点是它储存了大量的电能，这些电能从电能转化为化学能，然后转化为电能释放出来。其能量密度已经超过了目前的高档锂离子电池，其功率密度接近超级电容器。它在结构上集成了电池和传统电容器，实现了电池和电容器的优势。3.2华为石墨烯电池近年来，公司负责人任高调宣布将进入石墨烯的研发及相关产业化领域。去年，华为中央研究院瓦特实验室宣布了锂离子电池领域的重大研究突破，并推出了业内首个高温

13、长寿命石墨烯锂离子电池。对于智能手机，使用石墨烯技术的手机充电率比普通手机高40%。国外研究机构已经通过石墨烯开发了一种用于手机的20秒高速锂阴极材料。甚至可以制造具有更高灵活性的移动电话屏幕。此外，本研究成果将为通信基站的储能服务带来创新。在炎热地区使用高温锂离子电池的外置基站使用寿命可达4年以上。基于石墨烯的锂离子电池也将有助于电动汽车在高温环境下长时间使用，并在高温加热下安全飞行。华为瓦特实验室首席科学家李阳星博士指出，石墨烯基高温锂离子电池的技术突破主要来自三个方面：在电解液中加入特殊添加剂，去除微量水分，避免电解液高温分解；该电池的正极采用改性的大单晶三元材料来提高材料的热稳定性。同

14、时，石墨烯这种新材料可以实现锂离子电池与环境之间的高效散热。5“高温环境充放电试验表明，在相同的工作参数下，石墨烯基高温锂离子电池的温升比普通锂离子电池低5。在60下循环2000次后，容量保持率仍超过70%；60高温储存200天，容量损失小于13%”。3.3其他除了华为，三星的研究团队还开发了一项技术，通过在电池的硅表面覆盖石墨烯来制造一种新的“硅阴极材料”，将电池的能量密度提高到现有电池的至多两倍。英特尔和IBM在其他领域也积极开展石墨烯技术的研究。正大H600概念车新能源汽车的动力也将由石墨烯电池提供。4.结论与展望目前，许多商品只是概念上的，要实现商业化生产还有很长的路要走。石墨烯的高制

15、备成本也在一定程度上限制了其发展。石墨烯的分散性和相容性增加了工艺的复杂性，并影响批次稳定性。石墨烯具有如此大的比表面积，因此存在许多分散等问题。电池工厂的调整过程非常复杂，这项技术需要高素质的工人。也有人对其在相关领域的前景不乐观。智虎的一些人分析了它在锂电池中的应用。石墨烯主要起导电剂的作用，可用作电极锂嵌入材料。然而，两者的成本都比现有的石墨碳棒材料高得多。现在，三星、松下、LG等企业。也在关注柔性器件、半导体显示器等。5。石墨烯电池的前进道路仍然充满荆棘。然而，人们对高性能电池的需求仍有增无减，石墨烯基复合材料可以在二次电池中找到更广泛的应用。参考1林杰，闫芳，康飞宇。锂离子电池用石墨烯材料储能特性及前景。新碳材料1007-8827(2011)01-0005-04。2周、何、廖