石墨烯材料及其锂离子电池中的应用
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。
石墨烯及其复合材料在锂离子电池中的应用
石墨烯及其复合材料在锂离子电池中的应用1 石墨烯的性质及应用概述石墨烯是一种由碳原子组成的薄薄的层状物质，其单层厚度只有一个碳原子层厚度，具有高强度、高导电性、高热导率、高透明度等特点，被誉为“二十一世纪的黑金”。
石墨烯的这些特性使其在许多领域有着广泛的应用，从电子学、能源、催化、生物医学到材料学等等领域均有涉及。
2 石墨烯在锂离子电池中的应用锂离子电池是目前使用较为广泛的一种二次电池，能够在多种场合应用。
石墨烯在锂离子电池中的应用主要为改善电池的性能、延长电池的使用寿命以及减少电池的体积和重量等方面。
具体的应用包括以下几个方面：2.1 石墨烯作为锂离子电池的电极材料石墨烯作为一种优良的导电材料，可以作为锂离子电池的电极材料，既可以作为负极材料，也可以作为正极材料。
在负极材料方面，石墨烯的高表面积和导电性能可以增加电池的容量、循环寿命和充电速度等性能。
在正极材料方面，石墨烯可以提高电池的能量密度、循环寿命和充电速度等性能。
此外，石墨烯还可以作为一种电极材料增强剂，与其它材料复合使用，使电池整体性能更优秀。
2.2 石墨烯复合材料在锂离子电池中的应用除了单独使用石墨烯作为电池的电极材料外，还可以将石墨烯与其它材料复合使用，以改善锂离子电池的性能。
例如，石墨烯/二氧化钛复合材料可以提高电池的充电容量和循环寿命；石墨烯/硅复合材料可以减轻电池的体积和重量；石墨烯/氧化铁复合材料可以提高电池的容量和循环寿命。
石墨烯作为一种材料增强剂，它的加入可以增加复合材料的强度和稳定性，从而提高电池的使用寿命和性能。
2.3 石墨烯纳米复合材料在锂离子电池中的应用除了常规的石墨烯复合材料外，石墨烯纳米复合材料在锂离子电池中也具有潜在的应用前景。
石墨烯颗粒的尺寸十分微小，因此具有较大的比表面积和可控的晶格结构，这使得它能够与其它材料充分结合，形成具有优异性能的纳米复合材料。
石墨烯纳米复合材料可以提高电极材料的比表面积、电子传输速率和离子反应速率等性能，从而大幅度提高锂离子电池的容量、循环寿命和充电速度等性能。
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。
石墨烯在锂电池中的应用研究资料
石墨烯在锂电池中的应用研究资料石墨烯是一种由碳原子构成的单原子厚的二维材料，具有良好的导电性、热导性和力学性能，因此在电池领域具有广阔的应用前景。
本文将从石墨烯在锂电池正负极材料以及电解液中的应用角度，综述石墨烯在锂电池中的研究进展。
一、石墨烯在锂电池正极材料中的应用研究锂离子电池的正极材料主要有锂钴酸盐（LiCoO2）、锂铁磷酸盐（LiFePO4）等。
石墨烯在锂电池正极材料中的应用主要体现在两个方面：增强材料的导电性和改善电化学性能。
1.增强材料的导电性：石墨烯具有优异的电导率，将其与正极材料进行复合可以显著提高其导电性能。
例如，将石墨烯与LiCoO2进行复合制备出的复合材料可以提高锂离子的扩散速率和材料的导电性能，从而提高了锂电池的放电容量和循环寿命。
2.改善电化学性能：石墨烯与正极材料之间的复合可以提高材料的电化学性能。
石墨烯不仅可以增加正极材料的导电性，还可以改善其电化学反应的动力学过程，减小锂离子的插入／脱出电阻。
因此，利用石墨烯与正极材料的复合可以提高正极材料的容量、循环寿命和功率密度。
二、石墨烯在锂电池负极材料中的应用研究锂离子电池的负极材料主要有石墨等。
石墨烯在锂电池负极材料中的应用主要体现在以下几个方面：提高材料的电子传导性、增加锂离子的扩散速率、改善循环稳定性以及抑制锂金属的钝化现象。
1.提高电子传导性：石墨烯与石墨等负极材料的复合可以提高材料的电子传导性，从而降低电阻，改善电池的功率输出性能。
2.增加锂离子的扩散速率：石墨烯具有二维结构，可以提供更多的锂离子插入位点，增加锂离子的扩散速率，提高电池的充放电速度。
3.改善循环稳定性：石墨烯与石墨等负极材料的复合可以形成更稳定的结构，抑制材料的体积膨胀，从而提高电池的循环寿命。
4.抑制锂金属的钝化：在锂金属负极中加入石墨烯可以改善锂电池的充放电性能，减少锂金属负极表面的簧曲现象，提高电池的循环寿命。
三、石墨烯在锂电池电解液中的应用研究1.增加电解液的导电性：将石墨烯引入锂离子电池的电解液中可以提高电解液的导电性，减小电池的内阻，提高电池的放电容量和功率密度。
石墨烯的十大用途
石墨烯的十大用途
一、电子学领域
石墨烯在电子领域的用途是最明显的，它几乎可以在任何一个电子装
置中发挥作用，其应用的范围从电路器件到高频器件都能发挥重要的作用，从而使得电子设备的性能更加优异。
具体来说，石墨烯可以用于制造低阻
抗电路，高频电路，低损耗电路，高信噪比电路，还可以实现快速传输，
工作电流小，功耗低，可以制造可折叠、轻便、薄芯的灵敏传感器等，可
以大大缩短产品的规模和尺寸，降低电路板的复杂度，使用寿命更长，提
升电子装置的效能。
二、电池领域
石墨烯在电池领域的应用也非常广泛，它可以用于普通的锂离子电池，也可以用于锂硫、锂空气电池中，石墨烯能吸收高能量的电荷，在电池负
极的形成新的结构，改进电池的放电稳定性和容量，还可以降低电池的耐
久性，有利于把电池保护在一定的稳定状态，使用寿命更长。
三、燃料电池领域
石墨烯也可以用于燃料电池，由于其优异的热稳定性和优越的电导性，石墨烯可以有效提升燃料电池的功率和效率，进一步提高燃料电池的可靠
性及安全性，燃料电池可以用于太阳能、热能、水能等可再生能源的转换
和储存，以及汽车、船舶等的应用。
石墨烯材料在锂离子电池中的应用
石墨烯材料在锂离子电池中的应用
石墨烯是由碳原子构成的单层六角晶格结构的二维晶体材料，拥有好的导电性、热导
性和机械强度。
由于其优异的物理和化学性质，石墨烯材料在锂离子电池领域得到了广泛
关注和研究。
第一，石墨烯材料的导电性能能够增强电池的电导率，提高电池的充放电效率和容量。
石墨烯接触电极材料表面的情况下，能够增加电极与电解液之间的接触面积，并利用强电
荷相互作用解决电解液中固体氧化物的问题。
这种优异的导电性能促进了锂离子在电极材
料和电解液之间的迁移，从而增加了电池的容量和性能。
第二，石墨烯材料的高表面积和厚度为一原子的单层结构，能够提高电极的比表面积
和电荷密度，从而提高电池的储能密度以及实际放电效率。
石墨烯纳米片在此方面的应用
已经获得了显著的成功。
第三，石墨烯材料的高机械强度和化学惰性，能够为电池提供更高的耐久性和稳定性，并且防止电极材料的破损和失去活性，从而增加了电池的循环寿命。
第四，石墨烯材料能够作为高效的电池保护层，抑制电池中对电极和电解液的不良反应，延长电池的使用寿命。
第五，石墨烯材料结构吸附惰性和阻滞特性，也可以通过吸附电解液中的离子和分子，控制电池的化学反应，提高电池的性能和循环寿命。
由上述分析可以看出，石墨烯材料具有优秀的电化学性能和优异的物理和化学性质，
可以被广泛应用于锂离子电池领域，尤其是在提高电池性能、实现高储能密度和快速充放
电等方面具有重要意义。
随着石墨烯材料的不断发展和实用化，相信石墨烯在锂离子电池
领域的应用将越来越广泛。
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图1 锂离子电池工作原理示意图
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1.3 锂离子电池的行业现状
具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等突出 优点 成为目前综合性能最好的电池体系 并取得了飞速发展。
目前其应用已经渗透到包括移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机、 等众多民用及军用领域，另外，国内外也在竞相开发电动汽车、航天和储能 等方面所需的大容量锂离子二次电池。
图5 手机领域的锂离子电池需求量
图6 电动自行车领域的锂离子电池需求量
图7 电动汽车领域的锂离子电池需求量
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7
锂离子电池电动汽车的发展也将稳步向前，进而带动锂离子电池材 料的稳步发展。
根据经济学家预测： 新能源汽车领域锂离子电池需求量将由2009年的0.25GWh爆发式增长 至2015年的35.73GWh 。 新能源汽车领域锂离子电池占整个锂离子电池领域也由2009年的 1.88%快速跃升至2015年的58.74%。 从2015年开始，电动汽车市场将快速增长，到2020年电动汽车将占 整个轿车产量的15-20%，电动车用电池市场将达到400亿美元。
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从大体上看看目前锂离子电池遇 到的问题： ➢ 制造成本高 ➢ 循环使用寿命低 ➢ 比容量低于一次电池、镍氢电池 等 ➢ 负极材料容量远高于正极 ➢ 负极材料价格远低于正极 ➢ 回收难度大
图8 锂离子电池的成本组成
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从电极材料上看锂电池遇到的问题
正极材料
当前市场常见的正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、三元材料(镍钴锰酸锂)和
缺点：电容量小，理论仅为372mAh/g，循环使用衰减大，压实密度低。
未来可能应用的负极材料——非碳基负极材料，例如过渡金属氧化物、硅基
材料和合金材料。
优点：电容量远超于石墨。
缺点：存在一个致命的体积膨胀效应，循环性能较差。
表1 几种负极材料的理论比容量
正极材料 石墨
Si SiB3 Fe2Al5
理论容量 372mAh/g 4200mAh/g 922mAh/g 543mAh/g
图9 石墨烯结构示意图
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2.2 石墨烯的发现
20世纪60~70年代，Shelton等人已经意识到了单层石墨片
2004年， Geim and Novoselov。完成了二维石墨烯材料的开创性实 验。做了三项伟大工作：机械微应力法制备出石墨烯，向SiO2转移， 阐述了石墨烯的场效应。共同获得2010年诺贝尔物理学奖
2010年，全球锂离子电池为53490吨，其中我国锂离子电池产量超过20 亿只， 同比上年增长20%以上。主要市场为手机（增长15%）、航模、蓝牙 设备、电动工具和电动自行车（增长20%）、各类数码产品等。 2011年中国 锂电池市场规模增速高于全球增速，2011年中国锂电池行业市场规模达到了 397亿元人民币，同比增长43%，全年锂电池产量达到29.7亿颗，同比增长 28.6%，呈现出快速增长的势头，与锂电池产能向国内转移的行业背景相符。
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但是，中国锂电池企业在全球高端市场份额却在减少，竞争力正在减弱， 这些问题值得中国电池企业高度重视。2010年在与国际大厂配套方面，2010 年日本占42%，韩国占38%,中国占18%。（见表20）
图3 2010年中日韩在与国际大厂配套所占份额
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图4 笔记本领域的锂离子电池需求量
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什么是石墨烯？
石墨烯（Graphene）是是一种由碳 原子以sp2杂化轨道组成，碳原子紧 密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构 薄膜。其厚度只有0.335纳米,仅为 头发的20万分之一，被认为是构建 其它维数碳质材料（如零维富勒烯、 一维纳米碳管、三维石墨）的基本 单元，具有极好的结晶性、力学性 能和电学质量。
石墨烯材料及其在锂离 子电池中的应用
主讲人：程江
重庆文理学院 材料交叉学科 研究中心
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1
目录
一、锂离子电池的发展概况 二、石墨烯的简介 三、石墨烯在锂离子正极的应用 四、石墨烯在锂离子负极的应用 五、展望
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一、锂离子电池的发展概况
1.1 锂离子电池的发明
在上世纪,干电池及可充电电池在生产、生活、战争、科研活动中都 发挥了重要作用。但是废旧电池中含有重金属镉、铅、汞、镍、锌、锰 及废酸、废碱等，严重污染自然环境，其中镉、铅、汞是对人体危害较 大的物质。著名的日本水俣病和骨痛病就分别为汞中毒和镉离子中毒。
LiCoO2的替代品——Li3V2(PO4)3和LiFePO4。 优点：材料成本低，电容量大，使用寿命长达2000次以上。
缺点：生产成本高，工艺不成熟，更重要的是内电阻大，无法适应大密度电
流放电，难以应用于大功率的动力电池。
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负极材料
主导锂离子电池市场的负极材料——石墨
优点：价格低廉，来源广泛。
磷酸铁锂。在动力电池领域，锰酸锂和磷酸铁锂是最有前途的正极材料。
主导整个可充电锂电池市场的正极材料——LiCoO2。 优点：工作电压高；充放电电压平稳；比能量高（274 mAh•g-1）；循环性
能好。
缺点：Co是战略性稀缺材料，价格昂贵；抗过充电性能较差，存在安全隐
患；使用寿命有限，＜500次。
结论：无法满足大规模应用，难以成为理想的动力电池材料。
正极材料
Cu6Sn5 Sn
SnO2 Fe2O3
理论容量
608mAh/g 992mAh/g
500mAh/g 924mAh/g
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为什么选择石墨烯？
➢可以直接作为锂离子电池的负极 ➢可以用作修饰提高负极的电容量 ➢可以提高电极电导率同时作为电流收集物质 ➢可以降低Si基及金属氧化物负极材料的体积膨胀效应 ➢可以缩短锂离子电池的充电时间和增加锂离子电池的功率密度
1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新 了消费电子产品的面貌。今天，锂离子电池成为了便携电子器件的主要 电源。锂电池对环境的影响很小，不论生产、使用和报废，都不含有、 也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。
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3
1.2 锂离子电池的工作原理
• 锂离子电池组成：正极、负极、隔膜、线路和外壳 • 正负极材料：可供锂离子嵌入和脱出，电极电位正极＞负极 • 隔膜：通Li+，阻电子 充电：Li+：正极→负极，e：负极→正极 放电：Li+：负极→正极，e：正极→负极