中國粉體網訊 2010年諾貝爾物理學獎頒給兩位石墨烯研究者，在全球范圍內掀起石墨烯研究熱潮。石墨烯作為一種新型材料，在儲能領域有巨大的應用潛力，比如鋰電池、鋰硫電池、空氣電池、儲氫、超級電容等方向都可應用。
石墨烯具有超高的電子遷移率、比表面積和拉伸強度，以及優異的柔韌性，不僅可以提高鋰電池的能量與功率密度，獲得更高的儲鋰容量和更好的快充性能，而且有助于攻克固態電池的固/固界面技術難題。
石墨烯結構示意圖（來源：Pixabay）
正極材料導電添加劑
目前，鎳鈷錳酸鋰、磷酸鐵鋰是最常用的鋰離子電池正極材料，它們的優點是循環性能好，理論比容量高。但是這些材料本身的導電性差，使得電極的內阻較大，嚴重影響電池的循環、倍率及安全等性能。因此，需要通過加入導電劑來改善其性能。
導電劑材料的基本功能是在電極活性微粒之間建立離子高速傳輸通道，提升電子傳輸速度。碳系材料具有輕質、高導電、導熱性、良好的化學穩定性，是目前應用最為廣泛的一類導電劑。碳系材料中導電石墨、導電炭黑等傳統導電劑已經無法滿足市場需求，因此研究和發展新型導電劑勢在必行。
石墨烯單相導電劑
石墨烯作為一種二維納米材料，導電性能非常優異，大比表面積的石墨烯附著在正極材料顆粒表面，相互交織在一起形成了龐大的高速導電網絡，鋰離子和電子的遷移速率能夠有效提升。因此，具有高的電導率和大比表面積特性的石墨烯與鋰電池正極材料組成的復合材料可以克服電極材料導電性不足的缺點，使其高比容量的特性得到充分發揮。
在小倍率電池充放電的情況下，隨著石墨烯添加量的增加，放電比容量先變大后變小。與商業導電劑比較，加入少量的石墨烯就可以達到良好的導電效果，電池性能也相應提高。但電池在大倍率充放電時，單獨使用石墨烯作為導電劑沒常規導電劑的性能好。于是人們開始研究將石墨烯與常規導電劑復合成二元導電劑添加到電池中。
石墨烯/炭黑復合導電劑
當石墨烯與炭黑構建成為復合導電劑材料時，在原有網狀鏈式炭黑結構的基礎上均勻包裹了大量的二維石墨片層，片層的間隙由充當骨架結構的炭黑填充，通過協同傳導作用，由原來的點位二維傳導變成了點面三維結構傳導，同時解決了石墨烯疊加和團聚的問題，提高了結構穩定性與傳導效率。
石墨烯/碳納米管復合導電劑
石墨烯/碳納米管作為導電添加劑加入鋰離子電池材料時，兩者可構建三維網狀導電點位結構。碳納米管貫穿于各層石墨烯片中，使原來的二維傳導空間變成了三維橋連結構輸運通道，提供更為快速與通暢的電子導電路徑，大大提升了傳輸效率，提高了鋰離子在電池正極中的傳輸速率，同時碳納米管的骨架作用有效增強了石墨烯結構穩定性，避免了團聚與堆疊。
復合負極材料
石墨烯可以添加到鋰電池的負極材料中，以提升其電化學性能。常規鋰電池中所采用的是石墨等負極材料，比容量和能量密度偏低，不能滿足市場的新需求。目前負極材料的研究主要集中在能促進電池容量提升的Si基材枓、鋰金屬材枓、過渡金屬氧化物/硫化物等方面，但這些材料普遍存在體積變化大、導電性差等問題，制約了鋰電池的性能。將石墨烯與這些新型負極材料復合，構建各種包覆結構，是解決此問題的有效途徑。
硅/石墨烯復合負極材料
一方面，石墨烯的結構有一定的機械強度和柔韌性，能夠在鋰化過程中緩沖硅的體積膨脹，有助于提高硅的電導率，從而獲得性能更加優越的硅/石墨烯復合電極材料；另外一方面，石墨烯的摻入使得硅納米顆粒的分散更加均勻，有利于材料循環性能和比容量的提升。
硅/石墨烯復合材料制備示意圖（來源：萬傳云等，《鋰離子電池用石墨烯改性硅負極材料的研究進展》）
鋰金屬/石墨烯復合負極材料
石墨烯具有強的機械性能、好的柔韌性和耐化學腐蝕性，可以適應鋰金屬在電池循環過程中的體積變化和復雜的電化學環境，采用石墨烯改性鋰負極有望實現對鋰金屬的保護。研究發現，石墨烯需要具有多孔結構以及豐富的親鋰位點，才能起到穩定SEI膜的作用，有效抑制鋰枝晶生長。同時，疊層次數會影響石墨烯與鋰的結合程度以及石墨烯在復合材料中的形貌結構，進而影響石墨烯/鋰金屬復合材料的電化學性能。
金屬氧化物/石墨烯復合負極材料
單純的金屬氧化物作為電池負極材料時，比容量可達700～1000mAh/g，但在充放電過程中，容易出現體積膨脹的現象，電池容量和倍率性能也會隨之減少。石墨烯填充在金屬氧化物顆粒之間，既能減緩金屬氧化物的體積變化，同時良好的導電性能和大的比表面積也能有效增強導電效果，Li+傳輸速率增大，電導率顯著提高。將金屬氧化物嵌入石墨烯中構建了全新的三維傳輸結構，使復合材料的結構更加穩定，有效減少了在充放電過程中的團聚與疊加現象，電池的存儲容量進一步得到提高。
金屬氧化物/石墨烯復合材料類型及性能（來源：于永波，《石墨烯材料在鋰離子電池中的研究進展》）
固態電池界面改性
目前，關于高電導率固態電解質的研究取得了重大進展，但其與電極形成的固/固界面浸潤性較差，對于界面電阻、化學相容性和界面穩定性都有不利影響。
在負極界面區，構建石墨烯三維框架、疊層和空心球等結構可抑制鋰枝晶的形成和電極充電時的體積膨脹。
在正極界面區，將石墨烯與電極材料、電解質復合來改善電荷轉移；此外，石墨烯充當緩沖層改善了界面相容性問題進而提升了電池整體的性能。
參考資料：
1、韓宏偉，《石墨烯在鋰離子電池領域研究現狀的分析》
2、于永波，《石墨烯材料在鋰離子電池中的研究進展》
3、文芳等，《鋰離子電池中石墨烯導電劑分散方法的研究進展》
4、萬傳云等，《鋰離子電池用石墨烯改性硅負極材料的研究進展》
5、郭曉東等，《石墨烯在固態電池界面改性中的應用》
6、杜真真等，《石墨烯/鋰金屬復合材料的制備和電化學性能》
（中國粉體網編輯整理/長安）
注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除！
