基于石墨烯的锂离子电池负极材料研究进展

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1、基于石墨烯的锂离子电池负极材料研究进展院系：材料科学系专业：材料学姓名：雷冰冰学号：14210300023基于石墨烯的锂离子电池负极材料研究进展摘要：锂离子电池因其质量轻、能量密度大、安全的优点，广泛应用于便携式电子设备领域，逐步成为了应用最佳和最有发展前途的能源。为了进一步提高锂离子电池的能量密度、循环寿命，需要进一步开发新的负极材料。由于石墨烯具有优越的导电性、超高的比表面积和很好的机械强度等特点,其在锂离子电池负极材料方面显示出潜在的应用前景[1]。本文综述了目前世界上对于基于石墨烯材料的锂离子电池负极材料的研究现状。并对现有研究存在的不足做出了评价和预测了未来的研究方向。关键词

2、：锂离子电池；负极材料；石墨烯前言：相比其他可充二次电池，锂离子电池中具有高的比容量、相对低的自放电、长的循环寿命和小的环境污染等优点，被广泛应用于便携式电子设备中。近几年能源环境问题及世界各国发展电动车的需求，因此迫切需要开发更高能量密度(高比容量)、更高功率密度(高的倍率性能)和更长循环寿命(优越的循环性能)的锂离子电池。锂离子电池电化学性能的提高关键因素在于其正负极材料的提升。目前，商业化的锂离子电池负极材料石墨具有理论比容量低(372mAhg-1)和锂离子传输系数低(10-7~10-10cm2s-1)等缺点严重限制了锂离子电池性能的进一步提升。因此，开发设计高比容量、高倍率性能

3、和优越循环性能的新型锂离子电池负极材料至关重要。新型纳米碳材料-石墨烯具有优异的导电性、超高的比表面积和很好的机械强度等优点，被认为是最有潜力的锂离子电池负极材料[2]。是当前科学领域研究的热点。但是，石墨烯纳米片层之间由于范德华力作用容易发生堆积或团聚等问题，并且常用的化学合成法得到的石墨烯一般具有较多的残余含氧官能团；这些因素都会影响石墨烯作为负极材料的循环性能和倍率性能。因此，对石墨烯材料的结构改进、表面官能团改性以及运用掺杂、复合等手段来改进石墨烯作为锂离子电池负极材料的研究是当今的热点。本文就以上几个方面对最新的石墨烯基锂离子电池负极材料研究进展进行了综述，并对目前存在的问题

4、和未来发展方向提出了自己的看法。石墨烯基材料储锂性能：1、原理解释：材料的性能是由其结构决定的。弄清楚性能背后的结构性原理对实验的可重复性意义重大，并对未来的继续研究具有重要的指导和预测作用。因此，机理解释方面的研究工作是非常重要的部分。Nasir[3]等人总结了前人有关石墨烯及其衍生材料在能量存储和转换方面的制备和应用，得出石墨烯复合材料的性能不仅依靠单独组分的性能，也与它们之间的相互作用有很大的关系；所以控制复合物中组分配比，密度，化学键的种类以及空间结构是很关键的。同时，该课题组也提出了一些建设性的看法，可以通过掺杂不同元素或者采用3D结构以防止石墨烯重新堆叠，露出石墨烯表面；可

5、以通过改善晶体与石墨烯之间的物理化学作用提高石墨烯复合材料在使用中的稳定性等。Chananate[4]等人运用密度泛函理论对锂原子在二维石墨烯表面的吸附和扩散进行了研究。发现当二维石墨烯材料的维数向准一维转变时，出现了扶手椅或之字型边缘。进一步研究发现，这种边缘结构不仅影响了石墨烯碳材料对锂原子的吸收，还影响着锂原子在石墨烯中的扩散。他们通过模拟预测了边缘处锂原子扩散通道的形成，且在此前提下锂原子会向边缘扩散。而锂原子沿边缘通道扩散的能垒要比在石墨烯内部低0.15eV,这就使得锂原子的扩散速率将提高两个数量级。因此，他们预测制备含有这种边缘结构的石墨烯材料用作锂离子电池负极材料，将会大

6、大提升其性能。2、石墨烯材料的结构改进：石墨烯材料的结构改进主要是达到石墨烯的多孔化。石墨烯多孔化一方面可以增加锂离子的传输速度和增加电解液和电极材料的接触面积，另一方面石墨烯多孔化也可以防止石墨烯片层之间的重新堆积。因此很多研究者开始通过各种不同的方法设计得到多孔石墨烯材料。Cai[5]等人利用模板法设计合成了一种超薄壳状的空心石墨烯球。这种空心球具有248.3m2g-1的比表面积，孔径约5nm且孔与孔之间相互联通。该材料即使在5Ag-1的电流密度下充放电，比容量仍能达到249.3mAhg-1。在1Ag-1的电流密度下充放电100圈以后，其容量保持率达到97.1%。显然，这种石墨烯材

7、料的独特结构是其优越性能的原因。BiweiXiao[6]等人在前人对石墨烯纳米带材料研究的基础上，将目光放在控制碳纳米管的展开程度上，具体探究了不同碳纳米管的展开程度下，石墨烯负极材料的电化学性能。他们运用酸溶液解离的方法制备了从表面蚀刻的碳纳米管到完全展开的石墨烯材料，用FESEM、TEM观察样品表面形貌，并用恒电流充放电实验对材料储锂性能进行探索。他们的结论是，在碳纳米管展开初期，缺陷的增加导致了存储能力增加，因此比容量呈上升趋势；而到了后