石墨烯概述
石墨烯是一种由碳原子组成的六角形呈蜂巢晶格的平面二维结构纳米材料,其C-C键长为0.141nm,理论密度约为0.77mg/m2,厚度仅为一个碳原子的直径大小。碳原子以sp2的方式参与杂化,电子可以在层层之间顺利传导,故石墨烯导电性极好,是目前已知电阻率最小的材料,这也是石墨烯在电池发展前景广阔的原因之一。
石墨烯材料具有出色的导热性,其单层材料理论室温热传导率可达W/(m*K),这一性质可用于研究电池工作时的热量耗散问题。其力学性质优异,是一种韧性和强度极好的材料,可用于开发研究柔性电极材料。此外,石墨烯的高比表面积和高透光度也具有很高的研究价值。
3 石墨烯在锂离子电池中的应用
基于石墨烯的各项特殊理化性质,石墨烯在电极材料研究领域开发潜力巨大。按照应用领域的不同,石墨烯材料在锂离子电池中的应用大体可分为三类:石墨烯在正极材料中的应用、在负极材料中的应用和在锂离子电池中的其他应用。
(1)石墨烯在正极材料中的应用
对于锂离子电池,可应用的正极材料应当满足可逆容量大、电位高且稳定、无毒害、制作成本低等特点。目前较为常见的锂离子电池正极材料多为磷酸铁锂材料,但LiFePO4的电导率差、锂离子迁移率较低。若将LiFePO4材料与石墨烯复合,理论上可以改善其导电能力,提高倍率性能。
由于石墨烯材料的特殊性,在正极方面对石墨烯材料的研究相对较少。研究表明,用水热法将石墨烯直接覆盖在LiFePO4表面上制成复合材料的倍率性能提升效果并不理想,其原因可能是石墨烯材料结构的堆叠或破坏。
研究发现,石墨烯将LiFePO4半包裹后形成的材料可以提高LiFePO4材料的导电性能,但将其全包裹后离子传输效率下降,并推测可能是因为锂离子无法通过石墨烯的六元环结构。有研究人员将LiFePO4纳米颗粒与氧化石墨进行超声混合,制得了微观结构更加工整的LiFePO4/石墨烯复合材料。该材料经过进一步的常规碳包覆后嵌锂比容量大大提升,可在60C高倍率条件下仍然维持在70mAh/g左右。