0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

石墨烯材料在锂电池中的应用与前景

锂电联盟会长 来源:YXQ 2019-07-03 15:14 次阅读

通过对石墨烯结构、性能的分析,简要地分析总结了石墨烯在锂离子电池正极材料、负极材料等方面的应用,从而分析目前石墨烯材料的优势发挥和重点的研究方向,并对石墨烯在锂离子电池领域的应用前景进行一定的展望。

石墨烯作为一种新型纳米材料,以其特殊的二维单层延伸碳结构、出色的导电性、导热性、韧性及强度等优异性能,在功能材料、能源等多个领域有着广泛的应用前景。其中石墨烯在锂离子电池电极材料的优化改进方面受到了人们的重视,将石墨烯材料用作电极材料或与其他材料的复合能够在一定程度上发挥优势,对电池性能的提升有一定的效果。

一、前言导读

锂离子电池具有能量密度高、可逆容量大、开路电压大、使用寿命长等特点。在对锂离子电池电极材料的研究过程中,一些碳元素的同素异形体及混合物可以作为导电性能优良的稳定材料,常被用于开发新型锂离子电池负极材料的研究。

石墨烯由于其质量轻、导电性好、韧性高等优势成为材料研究层面的一大突破。2004年,Geim等人首次通过机械剥离法制得单层石墨烯,并发现了其特殊的电学、力学性质,其在锂离子电池电极材料的应用也引起了人们的重视。

本文首先对石墨烯结构与性能、制备等方面进行介绍,再对其在锂离子电池正极材料、负极材料等方面的应用简要总结,分析其优势与特点,以对设计石墨烯材料锂离子电池提供依据。

二、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3000-5000W/(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。

三、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。

2 石墨烯在负极材料中的应用

锂离子电池负极材料应当满足氧化还原电位低且稳定、可逆容量大、可形成致密稳定SEI膜、对环境无毒害、制作成本低等条件。相对于正极材料,石墨烯在负极材料中的应用研究更加广泛深入。

石墨烯直接作为负极材料

石墨烯具有良好的导电性能,但其二维微观结构的易相互堆叠导致对石墨烯独立电极材料的研究并不理想。主要表现为电池的倍率性能差、循环效率低等方面。Honma等制得的石墨烯可逆比容量在首次循环(50mA/g电流密度)中可以达到540mAh/g,但在多次循环后可逆比容量下降较快;而利用热膨胀法获得石墨烯在100mA/g电流密度首次循环时可以达到较高可逆比容量(1264mAh/g),且在40次循环后仍可保持较高的可逆比容量。

石墨烯复合负极材料

目前石墨烯负极复合材料主要有:过渡金属氧化物/石墨烯复合材料和石墨烯改性硅基材料等。这一类复合材料的研究方向是利用石墨烯材料的导电性能和结构特点辅助纳米材料,改善其锂离子传输速率,从而提高锂离子电池的倍率性能,弥补原材料的缺陷和不足。

Si元素可用于锂离子电池形成充电比容量极高的Li4.4Si,其放电电压稳定、自然储量丰富的特点使其拥有极大的发展前景;但其在充放电过程中的体积变化严重,导致电池的循环效率较低。若用纳米碳材料对Li4.4Si材料进行适当的包裹,则可减缓这种体积效应带来的影响。Yushin等利用CVD法将Si膜形成在石墨烯材料的表面,并用丙烯在高温条件下进行了碳包覆以增强其导电性,制得了一种Si/(G+C)复合材料,有效地实现了对锂-硅材料充放电过程中体积效应的改善,增强了电池循环性能。但是这类材料的制备成本较高,材料也具有易燃的性质,在安全方面具有一定的问题,但可以看作是石墨烯复合材料改善原材料缺陷的典例之一。

过渡金属氧化物在金属元素不同氧化态之间的转化过程中具有十分可观的理论容量,但其独立材料存在体积效应大、电子传输速率低等问题。如果将金属氧化物的纳米材料附着于石墨烯表面,则可以防止颗粒之间的团聚,同时充分发挥石墨烯材料的比表面积优势和过渡金属氧化物的高容量优势,提高锂离子的传输速率。

3石墨烯在锂离子电池中的其他应用

鉴于其优异的导电性能,石墨烯材料可以作为导电添加剂优化电池的电导率。Han等将石墨烯材料加入Si纳米材料中,其改性效果优于一般的导电添加剂如天然石墨等。其首次循环可逆比容量高达2347mAh/g,循环20次后仍可达2041mAh/g;Song等将石墨烯作为导电添加剂加入到石墨材料当中,优化了石墨材料的导电性能。其机理是石墨烯材料以层状结构搭建在石墨之间,类似于构建起电子通过的“桥梁”。这种材料与石墨接触面积大,避免在多次循环后类似乙炔黑颗粒的体积变化、与石墨材料接触面积减小而导致的性能下降。

此外,石墨烯由于其出色的力学强度和韧性在制备可变形性强的锂离子电池方面也发挥了独特作用。He等将对苯二甲酸乙二酯表面涂上石墨烯薄膜形成的复合材料具有可观的柔性,并且减小了材料的密度,优化了其性能;Cheng等则将石墨烯材料真空抽滤附着在滤纸表面,制得了力学性质和导电性能都较为优越的石墨烯/纤维素复合材料。

四、总结与展望

与传统块体材料相比,石墨材料具有优越的导电性能、导热性能、韧性以及极为轻薄的二维结构,使其在锂离子电池新型电极材料的开发研究领域具有广阔的前景。

然而,在石墨烯电极材料开发的初级阶段,仍有许多问题需要解决,例如复合材料的循环性能由于材料微观结构不可逆改变而严重下降;电池的倍率性能大小不够理想;材料制备成本对实际使用推广的局限作用等。

为了解决这些主要问题,近年来,对于石墨烯电极材料性能的优化研究主要集中于以下几个方向:

1、提高电池的可逆比容量,提升电池的充放电性能,延长电池寿命;

2、提高电极材料的电子传递速率和脱嵌锂离子速率,提高锂离子电池倍率性能,实现快速充电;

3、拓展新型纳米材料的实际应用,充分发挥不同纳米材料的综合优势;

4、开发可变形性强的电池材料,提升电池的环境适应能力,增强石墨烯电极材料在柔性电池方面的应用;

5、开发优化新型生产工艺,降低石墨烯电极材料生产成本,实现电池的大批量商业化生产;

6、积极寻找化学性质稳定、绿色环保无污染的复合材料,实现电池环境友好,减少电极材料可能造成的安全隐患和污染。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 锂电池
    +关注

    关注

    254

    文章

    7557

    浏览量

    162939
  • 石墨烯
    +关注

    关注

    54

    文章

    1500

    浏览量

    78478

原文标题:精品|搞懂石墨烯材料在锂电池中的应用与前景

文章出处:【微信号:Recycle-Li-Battery,微信公众号:锂电联盟会长】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    石墨电容

    探索未来能量储存新篇章:高性能4.2V 5500F 2.6Ah石墨电容推荐 随着科技的飞速发展,我们对于能量储存的需求也日益增长。众多的储能元件中,石墨
    发表于 02-21 20:28

    锂电池单体、锂电池组和锂电池包的区别

    的概念:锂电池单体、锂电池组和锂电池包。本文将详细介绍锂电池单体、锂电池组和锂电池包的区别,以帮
    的头像 发表于 01-11 14:09 662次阅读

    磷酸铁锂电池和三元锂电池热稳定性哪个更好?

    。 首先,让我们先了解一下磷酸铁锂电池的热稳定性。磷酸铁锂电池是一种锂离子电池,其正极材料是磷酸铁锂,负极材料
    的头像 发表于 01-09 16:31 567次阅读

    动力锂电池和普通锂电池的区别

    锂电池和普通锂电池。 首先,从电池结构上看,动力锂电池和普通锂电池的结构相似,都由正极、负极、电解质和隔膜组成。动力
    的头像 发表于 12-25 15:25 723次阅读

    三元锂电池和磷酸铁锂电池哪个好?

    三元锂电池和磷酸铁锂电池哪个好? 三元锂电池和磷酸铁锂电池是目前较为常见的两种锂电池。这两种电池
    的头像 发表于 12-11 11:33 4386次阅读

    磷酸铁锂电池和三元锂电池的差异点分析

    磷酸铁锂电池和三元锂电池的差异点分析  磷酸铁锂电池和三元锂电池是现代锂离子电池中两种常见的类型,它们在结构、性能和应用方面有很多差异。本文
    的头像 发表于 12-08 15:55 1390次阅读

    三元锂电池参数 三元锂电池最佳工作温度 三元锂电池寿命一般是几年?

    ,最佳工作温度以及其寿命等相关内容。 一、三元锂电池参数: 三元锂电池的正极材料主要由锂镍锰氧化物(LiNiMnCoO2)组成,负极则通常采用石墨
    的头像 发表于 11-21 16:05 6940次阅读

    钴酸锂电池和三元锂电池对比 钴酸锂电池和三元锂电池哪个好?

    的优缺点,并根据特定的应用需求作出选择。下面将详细比较钴酸锂电池和三元锂电池的各方面性能和应用特点。 1. 结构及成本 钴酸锂电池的正极材料是钴酸锂,负极
    的头像 发表于 11-21 16:05 2627次阅读

    磷酸铁锂和三元锂电池优缺点

    磷酸铁锂和三元锂电池优缺点  随着科技的发展和全球环保意识的增强,锂电池作为一种高效、环保、可重复充电的电池,逐渐取代了传统的镍氢电池。在锂电池中
    的头像 发表于 08-22 17:06 7356次阅读

    石墨烯,铅酸,锂电池区别是什么?

    石墨烯,铅酸,锂电池区别是什么? 石墨烯、铅酸和锂电池是当今应用最广泛的三种电池,分别用于不同的用途。虽然它们都是
    的头像 发表于 08-22 17:05 3608次阅读

    锂电池石墨电池哪个好?

    、细致的论述。 一、锂电池石墨电池的定义和原理 1. 锂电池 锂电池是以锂金属或以锂离子为正极材料
    的头像 发表于 08-22 17:05 6036次阅读

    GGII:锂电池PACK导热材料市场分析

    GGII预计,2030年中国锂电池市场出货量有望达到4TWh以上,液冷方案是作为锂电池PACK热管理主流方案,导热材料必不可少,未来市场增长前景广阔。
    的头像 发表于 07-10 09:51 847次阅读
    GGII:<b class='flag-5'>锂电池</b>PACK导热<b class='flag-5'>材料</b>市场分析

    电池锂电池的区别

    化学成分不同:钠电池中使用的正极材料是钠化合物,而锂电池中则使用锂化合物作为正极材料。相比之下,钠更为广泛且便宜,而锂较为稀缺和昂贵。   能量密度差异:钠
    的头像 发表于 06-08 17:41 4322次阅读

    锂电池定制是光伏储能的重要组成部份,储能锂电池定制的市场前景  

    随着全球能源转型的加速推进,光伏储能锂电池定制的市场前景十分广阔。据市场研究机构预测,2020年至2027年,全球光伏储能市场的复合年增长率将达到24.2%,市场规模将从2019年的44.9亿美元
    的头像 发表于 05-08 16:38 636次阅读
    <b class='flag-5'>锂电池</b>定制是光伏储能的重要组成部份,储能<b class='flag-5'>锂电池</b>定制的市场<b class='flag-5'>前景</b>   

    锂电池的未来发展趋势,快充技术在锂电池中的应用

    锂电池是一种新型的锂电池,它具有高温稳定性好、容量保持率高、充放电效率高等优点。锂电池的技术研究主要包括:正极材料的改进、负极材料的改进、电
    的头像 发表于 04-01 11:07 1198次阅读
    <b class='flag-5'>锂电池</b>的未来发展趋势,快充技术在<b class='flag-5'>锂电池中</b>的应用