石墨烯及其在锂电池领域的应用2017报告资料
综述移动终端锂电池突破之石墨烯电池
综述移动终端锂电池突破之石墨烯电池作者：吴凯倪子婷陈谦谦来源：《科学与信息化》2017年第25期摘要如今智能手机和平板电脑已被广泛使用和普及，移动终端作为简单便携式通讯娱乐设备已有几十年的发展历史。
如今的移动终端设备已有翻天覆地的变化，但作为其必要构成部分之一的锂电池却一直未有着巨大的革命性突破。
现有的锂电池显然有点跟不上我们移动终端长续航的需求了，然而近两年来有一种新型的电池出现在我们生活中——石墨烯电池。
关键词移动终端；锂电池；石墨烯电池前言随着科学技术的发展，移动终端的功能日益丰富和完善。
但是现有的锂电池似乎却不能有更好的能力去支撑移动终端长时间的使用，但石墨烯电池却能打破锂电池现有的一些瓶颈，比如容量小，充电慢等。
因此石墨烯更能满足人们对移动终端使用需求，现有的石墨烯电池技术还不是很成熟，并没有大面积的商业化使用，不过我相信石墨烯电池会取代锂电池而引领终端电池技术数年。
1 终端锂电池的原理、现状与瓶颈1.1 终端锂电池的原理锂电池通常分为锂金属电池和锂离子电池。
锂金属电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池[1]。
而锂离子电池则以锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料。
现在手机锂电池正极材料由于技术的突破越来越丰富多样，也越来越稳定。
负极材料一般来说都采用石墨，材料稳定而且成本也较低，但近年来有研究发现钛酸盐可能是更好的负极材料。
锂电池在充电过程中通过充电器发送的电流对锂离子（Li+）施加推力，从正极穿过电解质到达负电极后，以电化学能的形式存储起来。
当没有更多的锂离子从正极流向负极时。
当锂电池处于放电过程中，附着在负电极的锂离子开始迁移回正电极，这一过程被称为放电。
终端电压持续下降，最终降为零时，则需要再次充电。
1.2 手机锂电池的现状与瓶颈锂离子电池作为化学储能方式得到应用和发展相对较晚，但因其重量轻、比能量、比功率高和寿命长等特点被视为最具竞争力的电化学储能技术之一。
石墨烯复合材料的研究及其应用
石墨烯复合材料的研究及其应用任成，王小军，李永祥，王建龙，曹端林摘要：石墨烯因其独特的结构和性能，成为物理化学和材料学界的研究热点。
本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类，主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。
并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。
关键词：石墨烯；复合材料；纳米粒子；含能材料Research and Application of Graphene compositesABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials.Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来，因其独特的结构和性能，颇受物理化学和材料学界的重视。
关于石墨烯电池的调研报告
关于石墨烯电池的调研报告0引言《世界报》的一则关于西班牙Graphenano 公司同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池的消息，引起了世界各地的转发与评论，该消息称石墨烯聚合材料电池能够提给电动车1000公里的续航能力，而其充电时间不到8分钟。
为调查此消息的真实性与石墨烯聚合材料电池的可行性，于是检索、收集了大量的资料，并总结做出了自己的调查结果。
1石墨烯简介石墨烯（Graphene ）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二維材料。
石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因「在二维石墨烯材料的开创性实验」为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收%的光；导热系数高达K m W ⋅/5300，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过s V cm ⋅/215000，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约m ⋅Ω-810，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。
因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。
由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
特斯拉CEO 马斯克近目在接受英国汽车杂志采访时表示，正在研究高性能电池，特斯拉电动车的续行里程很快将能达到800公里，比目前增长近70％。
其表示，特斯拉始终致力于打造纯电动汽车，将继续革新电池技术，不考虑造混合动力车。
特斯拉Model3电动汽车的续行里程有望达N320公里，售价约为万美元。
[]《功能材料信息》 2014年第11卷第4期 56-56页据悉，石墨烯兼具高强度、高导电性、柔韧性等优点，应用于锂电池负极材料后，可大幅度提高其电容量和大倍率充放电性能 ，或成特斯拉电池的理想材料。
石墨烯
石墨烯与其他碳元素的区别
在近20年中，碳元素引起了世界各国研究人员的极大 兴趣。自富勒烯和碳纳米管被科学家发现以后，三维 的金刚石、“二维”的石墨、一维的碳纳米管、零维 的富勒球组成了完整的碳系家族。其中石墨以其特殊 的片层结构一直以来是研究的一个热点。石墨本体并 非是真正意义的二维材料，单层石墨碳原子层 (Graphene)才是准二维结构的碳材料。石墨可以看成 是多层石墨烯片堆垛而成，而前面介绍过的碳纳米管 可以看作是卷成圆筒状的石墨烯。当石墨烯的晶格中 存在五元环的晶格时，石墨烯片会发生翘曲,富勒球 可以便看成通过多个六元环和五元环按照适当顺序排 列得到的
6、石墨烯动力锂电池 10分钟就能完成充电， 还不损害电池使用寿命 。 刘兆平说，利用石墨烯 制成的石墨烯动力锂电 池，电池极片的导电性 能更高，电池内的电阻 更小，蓄电能力、快速 充放电能力比普通锂电 池强得多
作为一种性质独特的新兴材料，关于石墨烯应用的研究层出不穷 。 如果说瓦特发明蒸汽机改变了世界,是第一次工业革命,法拉第发明 了电磁感应,引发第二次革命,半导体引发第三次革命,石墨稀将引发 第四次革命。
石墨烯量子点材料及在电源中的应用
石墨烯量子点材料及在电源中的应用谢观水;郝凡;路凯峰;张坚【摘要】介绍石墨烯量子点(GQD)材料的几种合成方法:电化学法、酸氧化法、水热/溶剂热法、微波/超声波法和溶液化学法等.综述GQD材料在燃料电池、超级电容器、有机太阳电池和染料敏化太阳电池等电源中的应用,展望GQD材料在电源中的应用前景.%The synthesis methods of graphene quantum dot (GQD) such as electrochemical scissoring,acid oxidation cutting,hydrothermal and solvothermal cutting,microwave and ultrasonic shearing,synthesis by chemistry solution were introduced.The applications of GQD in fuelcell,supercapacitors,organic solar cells and dye-sensitized solar cells were reviewed.The prospect of GOD applied in power source was suggested.【期刊名称】《电池》【年(卷),期】2017(047)006【总页数】4页(P370-373)【关键词】石墨烯量子点;合成;电源;燃料电池;超级电容器;太阳能电池【作者】谢观水;郝凡;路凯峰;张坚【作者单位】桂林电子科技大学材料科学与工程学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学材料科学与工程学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学材料科学与工程学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学材料科学与工程学院,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】TM533;TM911.4;TM914.4石墨烯量子点(GQD)材料是在石墨烯的二维结构基础上，降低维度形成的一种准零维材料，具有石墨烯材料导电速度快[1]、导热能力好[2]、力学强度大和比表面积大[3]等优点，同时，具有量子点特有的可调谐的光学特性、发光效率较高等优点，在生物传感器、分子探针、光催化、太阳电池和柔性光电材料等[4]领域具有广阔的应用前景。
什么是石墨烯电池
什么是石墨烯电池
石墨烯电池是一种基于石墨烯材料制作的新型电池。
石
墨烯是由碳原子构成的单层二维材料，具有优异的电导性、高表面积和机械强度等特点，因此被广泛应用于电池领域。
传统电池中常用的电极材料如石墨、钴酸锂等存在着容
量和寿命限制，而石墨烯作为新材料，具有很大的应用潜力。
石墨烯电池在电极材料和电解质方面都存在突破性的改进，从而提高了电池的性能。
石墨烯电池的电极材料采用了石墨烯薄片，其具有优异
的导电性和可调控性，能够提供更高的容量和更长的循环寿命。
石墨烯电极能够有效提升电池储能密度，使电池更加轻薄，适用于便携设备和电动车等领域。
除了电极材料，石墨烯电池还采用了新型的电解质，以
提高电池的离子传输速度和电池的稳定性。
传统电解质通常存在着电解液溶解性差、易燃爆等问题，而石墨烯电池使用的新型电解质能够解决这些问题，提高了电池的安全性和可靠性。
石墨烯电池的应用领域广泛，可以用于手机、平板电脑、电动车、储能设备等各种电子产品和能源存储领域。
其具有高性能、快速充电、长寿命、良好的安全性等特点，将对电池技术的发展起到重要的推动作用。
总之，石墨烯电池是一种基于石墨烯材料制作的新型电池，具有优异的电导性和高表面积等特点。
通过改进电极材料和电解质，石墨烯电池能够提供更高的容量和更长的循环寿命。
其应用领域广泛，将在电子产品和能源存储领域发挥重要作用。
石墨烯应用产物
石墨烯应用产物1. 电子技术领域石墨烯的出色导电性使其成为电子技术领域的理想材料。
石墨烯的电子迁移率比硅高得多，这意味着它能够更快地传输电子。
因此，石墨烯可用于制造更快速的电子设备，如晶体管和集成电路。
此外，石墨烯透明且柔韧，因此可用于制造灵活的电子设备，如可弯曲的显示屏和电子皮肤。
2. 光学领域由于石墨烯具有出色的光学特性，它在光学领域也有许多潜在应用。
石墨烯是一种透明材料，但却能吸收到可见光中的2.3%的光线。
这意味着石墨烯可以用于制造高效的太阳能电池或光伏材料。
此外，石墨烯的非线性光学特性使其成为制造激光器和光学调制器的理想材料。
3. 能源领域石墨烯在能源领域也有许多潜在应用。
由于其出色的导电性和热性能，石墨烯可以用于制造更高效的电池和储能设备。
石墨烯还可以用作催化剂，促进化学反应的进行，因此可用于制造更高性能的燃料电池和催化剂。
此外，石墨烯也可以用于制造更轻、更坚固的风力涡轮机叶片，提高风能利用效率。
4. 生物医学领域石墨烯在生物医学领域也有许多潜在应用。
石墨烯具有优异的生物相容性和生物兼容性，因此可以用于制造生物医学传感器和医疗设备。
石墨烯的高比表面积和吸附能力使其成为制造药物传递系统和生物成像剂的理想材料。
此外，石墨烯还可以用于制造高效的人工器官和细胞培养基质。
5. 环境保护领域石墨烯在环境保护领域也有许多潜在应用。
由于其高吸附能力和化学惰性，石墨烯可以用于净化水和空气，去除其中的有害物质。
石墨烯还可以用于制造高效的环境监测设备，监测大气中的污染物和水中的有害物质。
此外，石墨烯还可以用于制造高效的环境保护材料，如防腐蚀涂料和防霉材料。
总之，石墨烯具有许多优异的特性，使其成为许多领域的理想材料。
未来，随着石墨烯制备工艺的不断改进和石墨烯应用技术的不断成熟，相信石墨烯的应用产物将会不断涌现，并为我们的生活带来更多的便利和创新。
石墨烯及其复合材料在锂离子电池负极材料中的应用
2017年10月石墨烯及其复合材料在锂离子电池负极材料中的应用吉功涛(江苏省邗江中学,江苏扬州225009)摘要：石墨烯因其独特的二维空间网络结构[1]，有极大的比表面积，良好导电性能，是优异的电极材料。
可通过与金属氧化物复合的方法将其机械性能和导电性能的优势最大化。
本文对石墨烯的结构、性质、制备方法及其在锂离子电池负极材料方向上的应用进行了综述，提出其发展问题并对其发展前景进行展望。
关键词：石墨烯;锂离子电池;负极材料1985年克罗托、科尔和斯莫利发表关于发现富勒烯的论文，有关石墨微观结构的研究进入了人们的视野，此后1991年饭岛澄男成功制备碳纳米管推动了碳纳米管相关研究的发展，至2004年Geim 、Novoseiov 用机械剥离法成功制备石墨烯，学术界又掀起了针对石墨烯的研究热潮[1-2]。
如今，石墨烯的应用种类越来越多，研究越来越深入。
将石墨烯及其复合材料在锂离子电池负极中应用是现在一种前景和可行性都非常优秀的方案。
1石墨烯的空间结构及性质石墨烯是由单层碳原子以sp 2杂化形式成键形成的具有蜂窝状六边形结构的二维原子晶体[2]。
它能承载远大于其自身重量的物体，实验数据显示1m 2石墨烯能承受4kg 的重量而其面质量仅为0.77mg [2]足以证明其具有优异的机械性能,同时石墨烯理论比表面积达到2630m 2/g [3]。
以上石墨烯的性质体现其在复合材料领域有很大的应用价值。
石墨烯导电性能良好，其导电率能达到106S/m [4]，可作为良好的电极材料。
此外，石墨烯还具有优良的导热性以及透光性。
其透光率达到97.7%，导热率为5×103W/mk ，理论导热性能是铜的十倍多[3-5]，足以支持其在光学、热学领域的应用。
2石墨烯的制备方法机械剥离法是获取石墨烯成本最低的方法，通过对高定向热解石墨进行反复剥离获取石墨烯，运用此法得到的石墨烯能满足实验室需要，在本征石墨烯研究中应用广，但是受限于其制备规模，这种方法很难满足石墨烯的商业需求。
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流体剪切剥离
石墨烯
通过气体膨胀剥离法生产石墨烯纳米片
产量：100 吨/年 纯度：>99wt% （碳含量） 厚度：2-10 nm 直径：5-20μm （可调节） 密度：0.25g/cm3 体积电阻率：4*10-4 ohm.cm 方阻：100-300Ω/□
技术创新性与先进性
In this work, a supercritical CO2 exfoliation method is used to prepare graphene powder with layer number in the range of 1-10 in large scale. The advantages of this method are environmentally-friendly and the graphene with less defects.
钴价格昂贵 电解质相容 较差，放 全性能差，生产
性差
电电压低 技术门槛高
三种动力用正极性能比较
正极材料 能量密度 安全 循环寿命 成本
高低温性能
锰酸锂
居中
较好
一般
最低 高温下最稳定
三元材料
最高
一般
一般
最高
容易热分解
磷酸铁锂
最低
最好
好
居中
低温性能差
目前镍钴锰三元材料主要仍是和钴酸锂、锰酸锂等掺杂使用于手机、平板电 脑及小 型动力电池领域，未来的市场份额预计将进一步提高，新能源汽车 领域将成为其主要市场之一，而钴酸锂的市场份额将减少。
机动车尾气排放已成为大气污染重要来源！
锂电池的研究现状
锂电池的正极材料研究现状
分子式 电压平台
钴酸锂 (LCO) LiCoO2
3.7
镍钴锰酸锂 (NCM)
LiNixCoyMn1-xyO2
3.6
锰酸锂 (LMO) LiMn2O4
3.8
磷酸铁锂 (LFP)
LiFePO4
3.3
镍钴铝酸锂 (NCA)
LiNi0.7Co0.3xAlxO2
30000
最高
最好
硅 合金系负
800
60%
200
差
差
极
锡
600
60%
200
差
差
石墨烯用于锂离子电池-背景
目前电极材料的限制:
• 低电导率(10-10 S/cm） • 低离子迁移速率(10-16 cm2/s) • 结构稳定性(<500个循环)
研究状况:
1. 大量导电添加剂等额外组分，尤其对于纳米材料
负极材料性能对比
负极材料
负极材料 细分
比容量 （mAh/g）
首次效率
循环寿命 /次
安全性
快充特质
天然石墨 340-370 9人造石墨
中间相炭 微球
310-360 300-340
93% 94%
1000 1000
一般 一般
一般 一般
石墨烯 400-600 30%
10
一般
差
钛酸锂 钛酸锂 165-170 99%
机械剥离法 石墨
石墨 室温 简单
长 结晶度高
无污染 不适宜
超临界剥离法 石墨、介质流体
石墨 约40-70 OC
一步法 1-2h 结晶度高 无污染 适宜
石墨烯用于锂电池及电动汽车
满足国家需求
纯电动汽车
环保问题突出
国家在“十三五”发展规划中明确 提出“将重点发展纯电动汽车及插电 式混合动力汽车”。
由于石墨烯优异的导电特性可以大 幅度提升锂电池的性能，这为石墨烯 在新能源领域的应用提供了契机！
• 增强导电性
• 增加整体能量和功率密度
Li+
(固态 2. 有限的单位面积负载量
扩散)
• 减小传输距离，利于锂离子传输
• 提高能量密度
锂离子电池正极用导电材料的发展历程
第一代
第三代
第四代
石墨烯复合
碳纳米管
第二代
super p
瑞士特密高导电剂
乙炔炭黑
Super p
正极用石墨烯/碳纳米管复合导电浆料
方法 化学气相沉积法 氧化还原法
原料种类
金属基底、甲烷、 石墨、浓硫酸、
氢气、氩气等
高锰酸钾等
原料物质
甲烷
石墨
反应温度 生产工艺 生产周期
900-1000 OC 复杂，转移困难
长
0-100 OC 复杂（多步）
18h 以上
产品质量 高，呈膜状
结晶度低
环保影响
是否适宜 放大生产
无污染 不适宜
废液污染 较适宜
3.7
比容量
150
160
120
150
170
振实密度 2.8-3.0
2.0-2.3
2.2-2.4
1.0-1.4
2.0-2.4
优点
充放电稳 定，工艺
简单
电化学性能稳 定，循环性能
好
锰资源丰富。 价格较低， 安全性能好
高安全性， 环保长寿
高能量密度，低 温性能好
缺点
钴价格昂 贵，循环 寿命较低
能量密度低， 低温性能 高温性能差，安
G-CNT
CNT
30 G-CNT
炭黑
0度循环后阻抗
石墨烯/碳纳米管复合导电材料
在天津力神锂电池公司测试的结果
实验对比
正极
LMO
LMO
负极
LTO
LTO
导电剂
GN-M-A02
SP+KS-6
常温倍率充电
2016年8月
什么是石墨烯？
1789年 石墨
1985年 富勒烯
1991年 碳纳米管
2004年 石墨烯
1990年 诺贝尔奖
2010年 诺贝尔奖
石墨烯：是一种由碳原子构成的单层片状结构，且只有一个碳原子厚度的二维材料。 石墨烯集合世界上最优质的各种材料品质于一身，如果说20世纪是硅的世纪，神奇 的石墨烯则是21世纪新材料的宠儿。
纳米管
石墨烯
石墨烯和碳纳米管构成的导电网络
导电浆料能显著提高极片导电、导热和加工性能，减少导电剂和粘胶剂用量， 降低电池内阻，提高电池容量、倍率充放电能力、循环寿命及安全性。
和碳纳米管相比石墨烯复合导电材料的优势如下： 1. 增加导电通道；2. 减少碳纳米管团聚；3. 降低价格
石墨烯/碳纳米管复合导电浆料
石墨烯的制备方法
Bottom-up graphene （自下而
上）
化学气相沉积法
外延生长法
气体碳源做原料
溶剂热法
Top-down graphene （自上而下）
机械剥离法
氧化还原法 溶剂剥离法
石墨做原料
超临界剥离法
气体膨胀剥离法制备石墨烯
石墨原料
CO2分子插层
Green synthesis of graphene in large scale
• 普通碳纳米管
• 石墨烯/碳纳米管
特点： 可水相分散 或NMP分散
年产2000吨石墨烯/碳纳米管复合导电浆料
石墨烯/碳纳米管复合导电材料
mAh/g
160
实验室测量结果
140
120
100 炭黑
80
60
G-CNT CNT
40 0
10
20
循环次数
测试条件：0℃低温测量 正极：磷酸铁锂，负极：锂片
导电性