石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用
高功率石墨电极在锂离子电池中的应用研究
高功率石墨电极在锂离子电池中的应用研究摘要：随着移动电子设备和电动汽车的快速发展，锂离子电池作为新一代高能量密度和高功率密度电池的代表，受到广泛关注。
而石墨电极作为重要的锂离子电池材料之一，在锂离子储能领域有着重要的应用价值。
本文旨在探讨高功率石墨电极在锂离子电池中的应用研究，并分析其优势与挑战。
引言：锂离子电池是一种以锂离子的嵌入/脱嵌过程来存储和释放电能的器件。
石墨电极作为锂离子电池的负极材料，具有很高的比能量和循环寿命，然而在高功率应用中的表现并不理想。
为了满足日益增长的高功率应用需求，研究人员开始寻找提高石墨电极功率特性的方法。
高功率石墨电极的开发将为电动汽车和可穿戴设备等领域的应用带来重要的突破。
1. 高功率石墨电极的优势和特点：石墨电极作为负极材料有着以下优势：1）丰富的资源，低成本制备；2）较高的比能量和循环寿命；3）良好的化学和物理稳定性。
而高功率石墨电极在这些基础上还具有如下特点：1）高电导率，有助于提高电池的输出功率；2）较低的内电阻，减少能量损失；3）良好的嵌入/脱嵌动力学特性，提高电池充放电速度。
2. 高功率石墨电极改进的方法：为了提高石墨电极的功率特性，研究人员采取了一系列改进方法，包括结构优化、添加剂掺杂和导电性调控等：1）结构优化：通过改变石墨电极的晶格结构和孔隙性质，提高锂离子扩散速率；2）添加剂掺杂：添加锂盐或其他金属氧化物等添加剂，改善石墨电极的电化学性能；3）导电性调控：通过控制石墨电极的导电性，降低内电阻并提高功率输出。
3. 高功率石墨电极的应用：在锂离子电池领域，高功率石墨电极已经得到了广泛的应用。
一方面，在电动汽车领域，高功率石墨电极可以提供更高的输出功率和更短的充电时间，以满足电动车辆对高功率的需求；另一方面，在可穿戴设备和移动电子设备领域，高功率石墨电极可以提高设备的使用时间和续航能力，提供更好的用户体验。
4. 高功率石墨电极的挑战和前景：尽管高功率石墨电极在锂离子电池中的应用取得了很大的成功，但仍然存在一些挑战：1）易发生石墨烯化，导致电化学性能损失；2）表面的锂离子聚集和金属锂枝晶的生长，导致安全性问题。
石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用
石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用摘要：随着近几年石墨烯的研究进展，在复合材料领域石墨烯扮演的角色越来越重要。
随着科技的发展，锂离子电池应用的范围越来越广。
负极材料作为锂离子电池重要部分，越来越多的被人们研究开发。
基于此，文章就锂离子电池负极材料中石墨烯的应用加以分析和探讨。
关键词：锂离子电池；负极材料；石墨烯随着科技的发展，锂电池凭借高电压、高能量密度、良好的循环性能、低自放电等突出优势在人们生活中的应用越来越广泛。
在锂离子电池中电位比较低的一端叫负极，在原电池中起氧化作用。
锂电池中负极所需要的材料为负极材料。
根据实际生产中锂离子电池生产成本核算，负极材料成本约占比锂电池总成本的1/4~1/3，因此负极材料的研究至关重要。
一、什么是石墨烯石墨烯是由单层碳原子排列成六边形晶格而形成的一种异形体。
自然界中有许多它的“同胞兄弟”如石墨、钻石、碳、碳纳米管。
这些都是碳的其他异形体。
石墨烯他的化学结构很简单，作为一种新型的材料，将会变得极其容易获得，不会像之前难以获得的材料那么昂贵，这将会使价格变得低廉，也让人们更容易所接受。
再说它的空间结构，它的形状是一种类似足球比赛中守门员的球网，是一种薄膜，是一种六角型晶格平面的薄膜，是一种只有一个碳原子的厚度二维材料，是一种新型的、坚固的二维材料，这就区别了和三维材料的区别，在后面我们会说出石墨烯也是可以由二维材料变成三维材料的。
石墨烯具有一些不同于其他材料的一些特性，他是最坚固的材料，它能传导热量和电能，它几乎是透明的。
所以相较于之前用于储能材料，和用于光电催化方面的材料，石墨烯具有着一些得天独厚的优势，也意味这在这些方面上，石墨烯将会得到更为广泛的使用。
二、石墨烯的制备技术目前我们国家在研究石墨烯生产方法时主要有两个方向，分别是物理法制备和化学法制备。
利用微机械剥离法能够得到高质量的石墨烯，但是由于此种方法处理出来的石墨烯通常尺寸较小，应用范围不广阔因此并不适合大规模生产，目前比较适用的还是化学方法，化学方法总共分为两种，一种是化学气象沉积法，这种方法通常是用Ni，Ru等一些过度金属来做基底，在利用甲烷和乙烯等一些小分子来高温气态的条件下发生一些化学反映，在基底层可以生长出石墨烯，这种方法目前主要用来制备墨烯薄膜，但是由于使用过渡金属作为基底，成本相对比较高。
石墨烯用作锂离子电池负极材料的电化学性能
第7卷第3期2012年3月乂0亿7 ^0.3麻.2012石墨烯用作锂离子电池负极材料的电化学性能高云雷，赵东林，白利忠，张霁明，张凡，谢卫刚(北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室，碳纤维及功能高分子教育部重点实验室，北京100029〉摘要：以天然鳞片石墨为原料，通过氧化、离心分离、低温氢气还原和超声分散处理制备了高品质的石墨烯片(卜^层）。
采用透射电镜(丁扮^)、高分辨透射电镜毋尺丁0^、傅里叶变换红外光谱汗丁-汉)、拉曼光谱、乂-射线 衍射(―)等测试方法对石墨烯的结构和形貌进行了研究。
通过恒流充放电、循环伏安法(匸乂)和交流阻抗译。
）等手段研究了石墨烯用作锂离子电池负极材料的电化学性能。
结果表明在0.2 01入化1112的电流密度下石墨烯首次可逆比容量为1005 1^8，经过30个循环后放电比容量保持在609 在大电流密度下放电容量仍然能保持576111入11/8，表明石墨烯负极材料具有优异的倍率性能。
关键词：石墨烯；电化学性能，锂离子电池；负极材料中图分类号：0613.71；0646文献标志码：八文章编号：2095-2783(2012)03-0201-5^16011*0011611110&10丨运1^^)116116^1166^注89110^6111^^1*1^1文0丨11111111111-1011 13311:61*1680^0 ^1111161，21130 1)00^1111，8^1 1,1211011^，211311^ 11111111^，211311^ ？&II，^16^8^6 X印 1^0恤07 0^0^1617110011 ^65011^06 五邮竹66咖宕,^1)0^0^ 0^00^01^1 1^11)6^ 咖过1^11^10(10^1⑶8，141^11811^ 0^^3x100X10^ 861^1^1/171^6^51^ 0了0^1617110^1及…如/叹V，861/1^100029，（^如）^5811*301： ^6 ^1*61)^16(1 匕运匕 ^11&111^ ^^116116 8116618 界衍！这 011116(1 11101^11010^ 0011813^111^ 0【& 111111I？&1561'-111^6 81111011116 311(1『洲61 化游〔1—41町奶)^218 13661115哪咖过&0111113加：这1疫叩扮访0x1(^011，化如职!!16(111。
石墨烯负极材料的用途
石墨烯负极材料的用途石墨烯作为一种新型材料，具有许多独特的特性和潜在的应用。
其中，石墨烯负极材料作为一种重要的电池材料，具有广泛的用途。
本文将介绍石墨烯负极材料的用途，并深入探讨其在锂离子电池、超级电容器和燃料电池等领域的应用。
石墨烯作为锂离子电池负极材料的应用已经引起了广泛关注。
锂离子电池是目前广泛应用于移动通信、电动车辆、储能等领域的重要能源储存设备。
石墨烯作为一种理想的负极材料，具有高比表面积、优异的电导率和良好的化学稳定性，能够显著提高锂离子电池的容量和循环寿命。
石墨烯负极材料在锂离子电池中的应用，可以大幅提升电池的性能，实现更高的能量密度和更长的使用寿命。
石墨烯负极材料在超级电容器领域也具有重要的应用价值。
超级电容器是一种高性能能量储存装置，具有快速充放电速度、长循环寿命和较高的功率密度等特点，被广泛应用于电动车辆、可再生能源等领域。
石墨烯作为超级电容器的负极材料，可以显著提高电容器的能量密度和功率密度，改善其循环寿命和充放电性能。
因此，石墨烯负极材料在超级电容器领域具有广阔的应用前景。
石墨烯负极材料还可以用于燃料电池。
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，具有高能量转化效率、无污染排放等优点，被视为未来清洁能源的重要组成部分。
石墨烯作为燃料电池的负极材料，可以提高电子传输速率和电化学活性，提高燃料电池的性能和稳定性。
石墨烯负极材料的应用可以促进燃料电池技术的发展，推动清洁能源的大规模应用。
除了上述应用领域，石墨烯负极材料还具有其他潜在的应用价值。
例如，石墨烯负极材料可以用于太阳能电池、柔性电子器件等领域，以提高其性能和稳定性。
此外，石墨烯负极材料还可以用于储能设备、传感器等领域，满足不同领域对高性能能源储存和传感器材料的需求。
石墨烯负极材料作为一种具有独特特性的新型材料，具有广泛的应用前景。
其在锂离子电池、超级电容器和燃料电池等领域的应用，可以显著提高电池的能量密度、循环寿命和充放电性能。
石墨烯在储能领域的应用
石墨烯在储能领域的应用石墨烯是一种新型的二维材料，具有非常优异的电学、热学和机械性能，被誉为21世纪的材料之王。
近年来，石墨烯在储能领域的应用也逐渐得到了广泛的关注。
在本篇文章中，我们将探讨石墨烯在储能领域中的应用及其优势。
一、石墨烯储能的研究现状目前，石墨烯在储能领域中主要应用于锂离子电池、超级电容器和金属空气电池等方面。
其中最为引人注目的是石墨烯锂离子电池的应用。
石墨烯作为锂离子电池的电极材料，具有很高的比表面积、高达2700平方米每克，能够大大提高锂离子电池的储能密度和循环寿命。
二、石墨烯在锂离子电池中的应用1. 石墨烯负极材料石墨烯可以作为锂离子电池负极材料，提高电池的储能密度。
石墨烯的导电性和拥有大量的孔隙结构，能够有效地提高电极的比表面积，使得锂离子电池能够获得更多的存储空间。
此外，石墨烯的高载流量特性，也使得锂离子电池的充放电速度有了大幅度的提升，大大提高锂离子电池的使用效率。
2. 石墨烯正极材料石墨烯也可以作为锂离子电池的正极材料。
由于石墨烯具有优异的电导率和化学稳定性，能够保持正常的电压和电池的工作稳定性。
同时，石墨烯还可以有效提高锂离子电池正极的比表面积，从而增加电池的储能密度。
三、石墨烯在超级电容器中的应用超级电容器是指一种能够以毫秒级别完成充放电的储能设备，具有高功率密度和长循环寿命等特点。
石墨烯在超级电容器中的应用也是十分重要的。
1. 石墨烯超级电容器负极材料由于石墨烯具有极高的比表面积和导电性，能够提高超级电容器负极材料的电容量和功率密度。
目前，石墨烯已被成功地应用于超级电容器的负极材料中，使得超级电容器的储能密度和功率密度都得到了大幅度的提升。
2. 石墨烯超级电容器正极材料石墨烯也可以作为超级电容器正极材料，用于提高电容器的储能密度。
石墨烯具有很高的电导率和化学稳定性，能够保持正常的电压和电池的工作稳定性。
同时，其高比表面积和孔隙结构也能有效提高超级电容器正极材料的电容量，提高电容器的储能密度。
石墨烯在电池中的应用要求与电化学性能改善策略
石墨烯在电池中的应用要求与电化学性能改善策略石墨烯是一种二维的碳材料，具有极高的导电性、热导性和力学强度，因此被广泛研究用于电池领域。
石墨烯在电池中的应用主要集中在锂离子电池和超级电容器等领域。
本文将探讨石墨烯在电池中的应用要求，以及一些提高其电化学性能的策略。
石墨烯在电池中的应用要求主要包括高能量密度、高功率密度、长循环寿命和低成本等方面。
首先，高能量密度是电池的核心性能之一。
石墨烯具有高比表面积和优异的电导率，可以提供更多的储存空间和导电路径，从而提高电极的能量密度。
其次，高功率密度是实现快速充放电的关键。
石墨烯的高导电性和热导性可以提供更快的离子和电子传输速率，从而实现高功率密度的要求。
此外，长循环寿命是电池的可持续发展的关键因素。
石墨烯的高力学强度可以提高电极的结构稳定性，延长电池的寿命。
最后，低成本是实际应用的一个重要要求。
石墨烯的可制备性、稳定性和可扩展性都需要进一步改进，以降低成本并实现工业化生产。
为了改善石墨烯在电池中的电化学性能，可以采取以下策略。
首先，优化石墨烯的制备方法。
目前，石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法和化学还原法等。
通过改进制备方法，可以提高石墨烯的质量和制备效率。
其次，改变石墨烯的结构和形貌。
石墨烯可以通过氧化、还原、掺杂或功能化等方法进行修饰，以改变其表面性质和化学活性。
这些改变可以提高石墨烯在电池中的电化学性能。
第三，构建石墨烯复合材料。
将石墨烯与其他材料（如金属氧化物、碳纳米管等）进行复合，可以充分利用各材料的优点，实现协同效应，提高电池的性能。
第四，设计石墨烯基电极结构。
石墨烯的二维结构可以为电极提供更大的比表面积和更好的离子传输通道。
通过调控电极结构，可以实现更高的能量密度和功率密度。
最后，开发新型电解质和界面材料。
石墨烯和电解质、电极之间的界面是电池性能的关键因素。
开发更好的电解质和界面材料，可以改善电池的循环寿命和安全性能。
综上所述，石墨烯在电池中的应用要求高能量密度、高功率密度、长循环寿命和低成本。
石墨烯在锂离子电池中的应用综述
石墨烯在锂离子电池中的应用
学生姓名 贾凯洋
指导教师 杨贵进
西北师范大学物理与电子工程学院
2019/4/12
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
目 录
选题背景
石墨烯的制备和性质
石墨烯在锂离子电池中的应用 石墨烯在锂离子电池中应用的总结及前景 展望
2019/4/12
2019/4/12
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩 表1.石墨烯改性正极材料的简要制备方法
正极材料 LiFePO4
石墨烯在锂离子电池正极材料中的应用
共沉淀法 + 热处 理 水热法+热处理 喷雾干燥 + 热处 理 溶胶-凝胶法 水解+溶剂热法 2~5μm 280
复合方法
Li3V2(PO4遇到的问题的基本途径之一
石墨烯因其优异的性能在锂离子电池电极材料的选择中被广 泛关注
2019/4/12
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
锂离子电池工作原理
图1 锂离子电池工作原理示意图 2019/4/12
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
锂离子电池的应用
电压高、能量密度 大、循环性能好、 自放电小、无记忆 效应
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯做锂离子电池负极材料的问题
制备过程石墨烯片层极易堆积
石墨烯首次充放电库伦效率低
石墨烯循环性能差 石墨烯的其他问题
2019/4/12
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯/锰氧化物复合材料
MnOX+2xLi++2xe2C+Li++e-
石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用研究进展
石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用研究进展结合当前利用石墨烯材料特殊二维结构、优良物理化学特性来改善锂离子电池较低能量密度、较差循环性能等缺陷的研究热点，综述石墨烯材料及石墨烯复合材料在锂离子电池负极材料中的应用研究进展，指出现有电极材料的缺陷和不足，讨论作为锂离子电池电极的石墨烯复合材料结构与功能调控的重要性，并简要评述石墨烯在相关领域中所面临的挑战和发展前景。
标签：石墨烯;锂离子电池;负极材料石墨烯是一种结构独特并且性能优异的新型材料，它是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层二维蜂窝状结构，被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元[1，2]。
由于石墨烯具有高导电性、高导热性、高比表面积、高强度和刚度等诸多优良特性，在储能、光电器件、化学催化等诸多领域获得了广泛的应用，特别是在未来实现基于石墨烯材料的高能量密度、高功率密度应用有着非常重要的理论和工程价值。
理想的石墨烯是真正的表面性固体，其所有碳原子均暴露在表面，具有用作锂离子电池负极材料的独特优势：（1）石墨烯具有超大的比表面积，比表面积的增大可以降低电池极化，减少电池因极化造成的能量损失。
（2）石墨烯具有优良的导电和导热特性，即本身已具有了良好的电子传输通道，而良好的导热性确保了其在使用中的稳定性。
（3）在聚集形成的宏观电极材料中，石墨烯片层的尺度在微纳米量级，远小于体相石墨的，这使得Li+在石墨烯片层之间的扩散路径较短;而且片层间距也大于结晶性良好的石墨，更有利于Li+的扩散传输。
因此，石墨烯基电极材料同时具有良好的电子传输通道和离子传输通道，非常有利于锂离子电池功率性能的提高。
1 石墨烯直接作为锂离子电池负极材料商业化锂离子电池石墨负极的理论容量为372 mAh/g。
为实现锂离子电池的高功率密度和高能量密度，提高锂离子电池负极材料的容量是一个关键性问题。
无序或比表面积高的热还原石墨烯材料具有大量的微孔缺陷，能够提高可逆储锂容量。
因此，相对石墨材料，石墨烯的储锂优点有：（1）高比容量：锂离子在石墨烯中具有非化学计量比的嵌入?脱嵌，比容量可达到700～2000 mAh/g，远超过石墨材料的理论比容量372 mAh/g（LiC6）;（2）高充放电速率：多层石墨烯材料的面内结构与石墨的相同，但其层间距离要明显大于石墨的层间距，因而更有利于锂离子的快速嵌入和脱嵌。
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石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用石墨烯(Graphene)是一种仅由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型晶格的平面薄膜，亦即只有一个碳原子厚度的二维材料。
相比其他炭材料如碳纳米管，石墨烯具有独特的微观结构，这使得石墨烯具有较大的比表面积和蜂窝状空穴结构，具有较高的储锂能力。
此外，材料本身具有良好的化学稳定性、高电子迁移率以及优异的力学性能，使其作为电极材料具有突出优势。
与碳纳米管类似，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等缺陷并不能取代目前商用的炭材料直接用作锂离子电池负极材料。
随着制备技术的发展，通过控制石墨烯片层间的间距，防止固体电介质层的形成大量消耗锂离子，并合理平衡缺陷结构与“死锂”的产生也许是石墨烯材料进一步向实用化材料发展的方向之一。
1.硅-石墨烯基复合材料在锂电池负极材料中的应用
石墨烯也是对硅负极进行改性的重要骨架材料。
它能够提供自由空间来缓冲充放电过程中的体积效应，保证脱嵌锂过程中材料结构的完整性；同时，石墨烯片层间能形成稳定的导电网络，从而提高电极的储锂性能。
Lee等将纳米硅颗粒高度分散在石墨烯薄片上，然后进行热处理还原得到硅-石墨烯复合材料，电化学测试表明，该复合材料经过50个循环后，容量大于2200mA·h/g，200个循环后容量大于1500mA·h/g，每个循环的衰减率小于0.5%。
该复合材料优异的电化学性能得益于纳米硅颗粒均匀分散在柔韧的石墨烯层间，不仅改善了硅的电子电导，而且有效缓冲了硅的体积效应。
高鹏飞通过喷雾干燥技术将二维的石墨烯加工成具有三维结构的导电网络，同时将纳米硅粉包裹在其内部空腔内，得到了一种“包裹型”硅碳复合材料。
该材料具有高达1525mA·h/g 的比容量和较好的循环稳定性。
这得益于硅与石墨烯的协同效应，纳米硅粒可分隔石墨烯层，防止其堆叠失效；而石墨烯层可以缓冲硅的体积效应，其导电网络结构可改善活性硅颗粒的电接触，维持材料结构稳定。
Ma等通过喷雾干燥法合成具有浴花形状的硅-石墨烯复合材料（见图1）。
电化学测试表明，该复合材料的首次充放电容量分别为2174mA·h/g和1252mA·h/g，经过30个循环后，可逆容量仍保持在1500mA·h/g以上。
其优异的电化学性能归因于这种特殊的浴花状结构以及石墨烯与纳米硅颗粒之间的协同作用，石墨烯提供足够的空间来缓冲充放电过程中硅的体积变化，并防止硅颗粒的聚集。
此外，高导电性的石墨烯包裹活性纳米硅颗粒，从而保持其循环过程中稳定的电接触。
图1 硅-石墨烯三维复合负极材料的制备过程
2.石墨烯-金属氧化物复合材料在锂电池负极材料中的应用
石墨烯与金属氧化物也可形成复合电极材料。
由于金属氧化物都具有较高的储锂容量，使得电极材料的能量密度得到了提高。
同时，将金属氧化物颗粒引入石墨烯片层间，阻止了片层的聚集，确保了离子传输通道的畅通。
Lian等通过气液界面合成法制备了SnO2/石墨烯复合材料，图2是其反应原理图。
利用这种反应机理获得的复合材料经150次循环后仍具有1304mA·h/g的可逆容量，在1000mA/g的高倍率下，可逆容量也能保持在748mA·h/g，是石墨理论可逆容量的两倍，表现出优异的电化学性能。
这得益于SnO2纳米颗粒均匀分布在石墨烯表面，在充放电过程中难以聚集，从而保持其高容量；另外，该复合材料为充放电过程中SnO2纳米颗粒的体积变化提供了足够的空间，从而提高了循环性能。
图2 气-液相界面反应制备SnO2/石墨烯符合材料反应原理图
周冠蔚通过采用喷雾干燥法制备出具有特殊微观立体结构的Fe2O3/石墨烯复合材料，其可逆容量高达900mA·h/g。
其中，石墨烯缓冲了充放电过程中Fe2O3的体积效应，并增强材料内部电子及离子的传输能力，提高了其循环稳定性。
而纳米Fe2O3插层在石墨烯片层中，可防止石墨烯重新堆叠，保持其储锂能力。
利用石墨烯的二维片状结构，也可将其
作为碳包覆材料与金属氧化物形成复合材料。
Yang等利用静电吸引相互作用及随后的化学还原合成由石墨稀包裹金属氧化物构成的纳米复合材料，普通的石墨烯/纳米颗粒复合电极材料中纳米颗粒都是负载在石墨稀的表面，颗粒与石墨烯的相互接触面积比较小，并且这种结构不能有效控制石墨烯夹层之间金属纳米颗粒易聚集的现象；而在合成的产物中，石墨稀片可以紧紧裹住Co3O4纳米球，保证了两者之间的充分接触，表现出非常出色的电化学性能：在最初的10个循环中，该复合材料保持了1100mA·h/g以上的稳定可逆容量，且经过130个循环后仍具有1000mA·h/g以上的容量。
由以上研究可以看出，具有优良电化学性能的石墨烯基复合材料有以下特点：引入物均匀地分散在石墨烯片层中，或者石墨烯将引入物紧密包覆起来。
这样石墨烯可以缓冲循环过程中的体积效应，同时引入物又能发挥其高容量的优势。
石墨烯作为锂离子电池的负极材料的研究已获得了一定成果，但为了能够满足在商业应用中对锂离子电池的快速大电流充放电、高循环寿命、高比容量等性能要求，以后石墨烯基电极材料的发展要注意：(1)研究石墨烯复合材料的微观形貌与电化学性能之间的关系，特别是其结构、尺寸、孔径以及缺陷等对电化学性能的影响；(2)优化制备工艺，设计能大规模生产石墨烯的制备工艺，便于投入商业化应用。