新型锂电池负极材料石墨烯的应用前景

        负极材料的能量密度是影响锂离子电池能量密度的主要因素之一,可见负极材料在锂离子电池化学体系中起着至关重要的作用,其中研究较为广泛的锂电池负极材料为金属基(Sn基材料、Si基材料)、钛酸锂、碳材料(碳纳米管、石墨烯等)等负极材料。

锂电池负极材料石墨烯

        石墨烯是近年来研究较多的一种新型材料,成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s,比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-8俜m,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料。

        具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,无论是轻薄、硬度、导热、导电,都是所有材料之最,被认为是一种未来革命性的材料。

锂电池负极材料石墨烯的优势

        1.石墨烯片层柔韧,可有效缓冲金属类电极材料的体积膨胀;

        2.石墨烯优异的导电性能可以增强金属电极材料的电子传输能力;

        3.石墨烯表面的活化核点能控制在其表面生长的金属氧化物颗粒保持在纳米尺寸,改善材料的倍率性能;

        4.复合材料的比容量相对于纯石墨烯有较大提高;

        5.金属或金属氧化物的纳米颗粒能保护石墨烯表层,防止电解质插入石墨烯片层导致电极材料剥落现象。

新型锂电池负极材料石墨烯的应用前景

        以石墨烯为负极材料的电池储电量是目前市场最好产品的3倍,用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而充电时间不到8分钟。拥有如此优良性能的石墨烯电池成本并不高。比一般锂离子电池低77%,完全在消费者承受范围之内。

        在正极复合材料中,石墨烯二维高比表面积的特殊结构及优异的电子传输能力,能有效改善正极材料的导电性能,提高锂离子的扩散传输能力。相比于传统导电添加剂,石墨烯导电剂的优势在于能用较少的添加量,达到更优异的电化学性能。

        纯石墨烯材料由于首次循环库仑效率低、充放电平台较高以及循环稳定性较差,并不能取代目前商用的碳材料直接作为锂离子电池负极材料使用。但石墨烯可以作为一种优异的基体材料在锂电池复合电极材料中发挥更大的作用。将石墨烯与天然石墨、碳纳米管、富勒烯等碳材料复合,能利用石墨烯的特殊片层结构,改善材料的力学性能和电子传输能力。同时,掺杂后的石墨烯片层间距增大,提供更多的储锂空间。

        另外,石墨烯还可以用于改性其他非碳基负极材料。目前研究的锂离子电池非碳基负极材料主要有锡基、硅基以及过渡金属类为主的电极材料,这类材料具有高理论容量,但其缺点是在嵌锂/脱锂过程中体积膨胀收缩变化明显。石墨烯掺杂改性后的复合材料能改善这两种材料单独使用时的缺点。

应用前景从石墨烯的生产工艺来看

        石墨烯的制备方法有溶剂热法、高温还原、光照还原、外延晶体生长法、微波法、电弧法、电化学法等,机械剥离法、化学气相沉积法、氧化-还原法、溶剂剥离法。其中较为常见的是机械剥离法、化学气相沉积法、氧化-还原法和溶剂剥离法。

机械剥离法:

        当年Geim研究组就是利用3M的胶带手工制备出了石墨烯的,但是这种方法产率极低而且得到的石墨烯尺寸很小,该方法不具备工业化生产的可能性。

化学气相沉积法:

        主要用于制备石墨烯薄膜,高温下甲烷等气体在金属衬底表面催化裂解沉积然后形成石墨烯,化学气相沉积法的优点在于可以生长大面积、高质量、均匀性好的石墨烯薄膜。但缺点是成本高工艺复杂存在转移的难题,并且生长出来的一般是多晶。

氧化-还原法:

        氧化-还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨,是生产石墨最主流的方法,但该方法所产生的废液对环境污染比较严重,并且氧化-还原法生产的石墨烯存在缺陷,部分电学和力学性能损失。

溶剂剥离法:

        是将少量的石墨分散于溶剂中形成低浓度的分散液,进行层层剥离而制备出石墨烯。这种方法虽然不会像氧化-还原法那样破坏石墨烯的结构,但成本高,生产率低。

        总结:可见石墨烯材料确实性能非常优异,极具潜力。但其生产工艺限制了目前的发展。不过人类科技进步非常快,解决石墨烯生产问题不会太久。

source:http://www.juda.cn/news/92970.html

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