石墨烯在锂离子电池中应用
石墨烯材料及其锂离子电池中的应用资料
石墨烯材料及其锂离子电池中的应用资料有关石墨烯材料及其锂离子电池中的应用技术，具有较高的原创性
摘要
石墨烯是一种具有突出特性的一维碳纳米材料，由一层厚度仅一个原
子厚的碳原子构成，具有高的抗拉强度、优良的电子导电性能和电子显微
特性。
因其独特的化学和物理性质，石墨烯可以用作电子器件中的探测器、接触层或纳米封装，可以用于高性能电池和其他电子应用。
本文针对石墨
烯材料及其在锂离子电池中的应用，提出了六点研究议题，分别是石墨烯
材料的结构和特性，石墨烯的制备技术，石墨烯在电池正极材料中的应用，石墨烯在电池负极材料中的应用，石墨烯在电池安全膜中的应用，以及石
墨烯和锂离子电池的发展趋势。
从结构和特性方面，石墨烯具有单原子厚度、高温稳定性、高抗拉强度、优良的电子导电性能和电子显微特性，作
为电池正极、负极材料和安全膜时能够提高电池的安全性、耐久性和性能。
通过综述国内外最新研究成果，以石墨烯材料改进的锂离子电池可以达到
高容量、快速充电、低温性能好等优良性能。
本文最后探讨了石墨烯和锂
离子电池的未来发展趋势，提出了一些发展方向，以及技术和产业应用潜
力的展望。
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。
石墨烯的应用
石墨烯的应用
石墨烯是一种具有单层碳原子排列成的二维晶格结构的材料，具有许多独特的物理、化学和机械性质，因此在多个领域都有广泛的应用。
以下是一些常见的石墨烯应用：
1.电子器件：由于石墨烯具有高电子迁移率、高载流子迁移率和优异的电导率，因此被广泛应用于电子器件中，如场效应晶体管（FET）、透明导电膜、逻辑电路等。
2.光学器件：石墨烯具有宽带隙和高吸收率的特点，可用于太阳能电池、光电探测器、激光器等光学器件中，提高光电转换效率和传感性能。
3.储能设备：石墨烯在锂离子电池、超级电容器等能量存储设备中具有重要应用。
其大表面积、高电导率和快速离子传输性能有助于提高能量密度和充放电速度。
4.传感器：石墨烯具有高比表面积和化学惰性，可用于气体传感器、生物传感器等传感器设备中，检测环境中的气体、生物分子等。
5.强化材料：石墨烯可以增强复合材料的力学性能，提高材料的强度、刚度和耐磨性，常用于航空航天、汽车制造、体育用品等领域。
6.生物医学：石墨烯在生物医学领域具有潜在应用，可用于药物输送、生物成像、组织工程等。
其生物相容性和表面修饰的可调控性使其成为生物医学材料的研究热点。
7.热管理：石墨烯具有优异的热导率和导热性能，可用于热界面材料、散热器、导热膏等热管理领域，提高热传递效率。
总的来说，石墨烯作为一种多功能的纳米材料，在电子学、光学、能源、生物医学和材料科学等领域都有着广泛的应用前景。
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
石墨烯材料可以作为锂离子电池的负极材料。
传统锂离子电池的负极材料常采用石墨材料，但其容量有限，存在容量衰减和安全问题。
石墨烯材料由于其独特的二维结构和高度导电性，可以提供更高的比容量和更好的循环性能。
石墨烯负极还可以通过调控多孔结构增加锂离子的扩散速度，提高电池放电性能。
石墨烯材料还可用于锂离子电池的电解液中。
电解液是锂离子电池中起着电荷传递和离子输运的关键作用的部分。
加入石墨烯材料可以改善电解液的电导率、离子传输速率和电池的循环寿命。
石墨烯通过其高度的表面积和化学活性，可以增加电解液中锂离子与电解液的接触面积，提高离子的扩散速度和电池的性能。
石墨烯材料在锂离子电池中具有重要的应用潜力。
通过其优异的电化学性能和结构特性，石墨烯可以提高锂离子电池的能量密度、循环性能和安全性，为锂离子电池的进一步发展和应用提供了新的可能。
石墨烯在能源领域的应用
石墨烯在能源领域的应用石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体，在材料科学领域被广泛关注。
由于其优异的力学、光学和电学性质，石墨烯在能源领域的应用潜力巨大。
第一，太阳能电池。
石墨烯能够充分改善传统太阳能电池效率低的问题。
石墨烯薄膜具有高度透明性，并且可以实现广谱光吸收。
通过将石墨烯薄膜引入到典型的硅太阳能电池中，发现其效率得到了显著提升，这使得石墨烯成为具有很大潜力的太阳能电池材料。
第二，高性能电池。
石墨烯与传统电池材料相比具有更高的表面积和导电性能，能够大幅度提高电池的储能密度和输出功率。
例如，在锂离子电池中，石墨烯导电网络的应用可以增加电池的有效表面积，并具有更高的离子扩散速率，从而实现更高的储能密度和性能。
第三，新型储能材料。
随着电动汽车市场的不断扩大，石墨烯在储能领域也展示出了强大的潜力。
石墨烯作为一种高效的超级电容器电极材料，具有很高的比表面积和重要的能量和功率密度，因此可以在储能材料和设备方面获得应用。
第四，超导应用。
在能源领域的另一个前沿领域，超导应用也是石墨烯的一个重要应用方向。
石墨烯具有卓越的电子结构和高度可控的超导性能。
目前，石墨烯材料已经在柔性超导体、超导透镜和超导短接器等方面取得了重要进展。
总之，石墨烯在能源领域的应用前景广阔，尤其是能够扩大太阳能电池、高性能电池、新型储能材料和超导应用的范围和领域。
未来，随着石墨烯相关技术和材料的不断改进和完善，我们有理由相信石墨烯将会在能源领域展现出更多的应用和创新。
石墨烯在锂离子电池中的应用研究
石墨烯在锂离子电池中的应用研究石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维材料，具有优异的导电和导热性能，透明性强，并且具有强大的力学韧性。
这些特性使得石墨烯在科学研究和各种应用领域都备受关注。
近年来，石墨烯在锂离子电池领域的应用也越来越受到重视。
本文将介绍石墨烯在锂离子电池中的应用研究进展。
一、石墨烯作为锂离子电池的电极材料目前，石墨烯主要应用于锂离子电池的电极材料中。
众所周知，锂离子电池的电极材料主要分为负极材料和正极材料。
石墨烯作为电池负极材料，具有以下优点：1.高比表面积：石墨烯可以实现单层碳原子的紧密排列，形成大量的微小孔隙和高表面积，这不仅可以提高电极表面容量，而且可以增加锂离子的扩散速度，提高电池的性能。
2.良好的电导性：石墨烯具有高导电性，能够提供良好的电子传输和电荷存储，减少电极内阻，从而提高电池的输出功率。
3.优异的力学性能：石墨烯的组成结构可以保持相对稳定，即使在长时间循环充放电的过程中也能保持结构完整性，从而延长电池的使用寿命。
虽然石墨烯作为电极材料具有许多优点，但是它也面临着一些挑战。
例如，石墨烯的制备和应用成本较高，需要进一步降低成本才能实现大规模商业化应用。
二、石墨烯增强锂离子电池正极材料除了作为负极材料，石墨烯中的碳纳米管和颗粒可以作为锂离子电池正极材料的补充，以增加其性能。
石墨烯包覆的锂离子电池正极材料可以提高锂离子的扩散速度和电池的能量密度。
石墨烯与锂离子电池正极材料的结合还可以降低电极材料的体积变化率，延长电池的使用寿命。
三、未来展望目前，石墨烯在锂离子电池领域的研究还处于起步阶段。
随着石墨烯技术的不断发展和成熟，石墨烯在锂离子电池领域的应用前景非常广阔。
未来，石墨烯技术还有许多发展空间，例如开发更经济实用的制备方法，探索更广泛的应用领域。
总之，石墨烯在锂离子电池中的应用研究为电池的性能和寿命提供了新的提升方案。
虽然存在一些挑战和难点，但是未来的发展和探索将为锂离子电池技术的进一步提升提供新的解决方案。
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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Abstract
Graphene is a tw o dim ensio nal m at erial only m ade of carbon at om s. Due t o it s
墨烯制备和研究方面的开创性工作获得了 2010 年的诺贝尔物理学奖 . 关键词 石墨烯 ; 诺贝尔奖; 量子霍尔效应; 狄拉克费米子
GRAPHENE: A NEW QUANTUM MATERIAL
Zhang Yi
( In st itu t e of Physics , Ch ines e A cademy of Sciences, Beijin g 100190)
[ 2, 3]
狄拉克费米子行为
. 这种奇特的狄拉克费米子
之前从未在真实的材料中发现 , 而仅仅在理论上 被理论物理学家讨论过 . 石墨烯各种新奇的物理 特性已引起了科学界的广泛关注 . 首次在实验上 制备出石墨烯的两位俄裔英国科学家也因此获得 2010 年度的诺贝尔物理学奖[ 4] .
2 物理与工程 V ol. 21
unique t w o dimensio nal honey com b lat t ice st ruct ur e, Dirac ferm io n s behavior of carriers, and ot her ex ot ic physical charact erist ics, graphene has at tr act ed ex t ensiv e at t ent ion r ecent ly. Graphene also prom ises f or applications in many f ields such as elect ro nicd, info rmat ion technolog y, energ y co nvert ion. Because of t he pioneering w ork in prepar at ion and charact er izat ion o f graphene, A. K. Geim and K. S. Nov oselov , t he U niversit y of M anchest er shared No bel Prize in P hy sics in 2010. Key Words Graphene; Nobel P rize; Quant um H al l eff ect ; Dirac fert mon 过机械剥离的方法制得了石墨烯 , 发现它在大气 1 介绍 晶体管于 1947 年 12 月发明, 它开创了 现代 的半导体工业, 是计算机信息技术的基石 . 随着人 们对计算速度和性能的不断追求 , 传统半导 体器 件尺寸的不断缩小并已经到达了瓶颈 . 人们 急需 具有更快的电子输运和更精确的电子操纵的新材 料来实 现未 来高 速 高效 电子 器件 的应 用. 2004 年, 曼彻斯特大学的康斯 坦丁 诺沃 肖洛夫 ( K. S. No voselov ) 和安德烈 海姆 ( A. K. Geim ) 通 和室温环境下具有稳定的结构 , 并且具有极大的 场效应和极高 的载 流子 迁移 率 ( ~ 15 000cm 2 V- 1 s- 1 ) [ 1] . 之后又发现其载流子表现出独特的
No. 1 2011 系 ( 图 2) . 这是第一次在凝聚态材料中发现这样 的相对论性的狄拉克费米子 . 石墨烯特殊的电子 结构 , 使得它表现 出许多奇妙的物理 性质: 如半 整数的量子霍尔效应 [ 7, 8] , 无 载流子的电导 [ 5, 7] , Klein 隧 穿 效 应[ 9, 10] 以 及其 他 许 多未 被 探 知 的 特性 [ 11~ 14] .
电化学法制备石墨烯及其导向研究
导读：本辑归纳了石墨烯的氧化还原法制备及结论，高分子石墨烯纳米复合材料研究，高疏 水及超黏着性石墨烯薄膜的制备， 基于石墨烯化学修饰电极的适体， 化学分散法制备石墨烯， 二维碳材料石墨烯研。
中国学术期刊文辑（2013）
目 录
一、理论篇 石墨烯一种新的量 1 石墨烯银纳米粒子复合材料的制备 5 石墨烯应用研究 11 石墨烯用作锂离子电池负极材料的电化 17 石墨烯与多壁碳纳米管增强环氧树脂复合材料的制备 23 石墨烯与关联单壁碳纳米管物理特性比 31 石墨烯杂化钛酸管复合光催化剂的制备 44 石墨烯在半导体光电器件中 50 石墨烯在分析科学中的应用 55 石墨烯在光催化水解制氢中 61 二、发展篇 石墨烯在化学电源中的应用研究 69 石墨烯在金电极上固定方法的选择及免疫传感器 73 石墨烯在聚合物复合材料中 78 石墨烯在锂离子电池中应用 84 石墨烯在太阳能电池中应用 87 石墨烯制备表征及应用研究 96 石墨烯制备方法及研究 100 石墨烯制备及其在超级电容器中的应 106 石墨烯制备及其在低温燃料电池阳极催化中的应 113 石墨烯制备与带隙调控的研究 121 石墨烯专利技术国际研发态 127 水溶性石墨烯及其高导电率薄膜的制备 139
1
物理与工程 V ol. 21 N o. 1 2011
特约稿件
石墨烯: 一种新的量子材料
张 翼 100190)
( 中国科学院物理研究所, 北京 薛其坤 ( 清华大学物理系, 北京
100084)
( 收稿日期 : 2010 12 30)
摘
要 石墨烯是一种仅由碳原子构成的二维材料. 由于其独特的二维六角蜂窝状的晶格结 构、 载流子的狄拉克费米子行为及其他奇妙的物理特性 , 近些年来引起了人们的广泛 关注. 同时 , 它还展现出在电子 、 信息 、 能源等多个领域的巨大应用前景. 曼彻斯特大学 的安德烈 海姆 ( A. K. Geim) 和康斯坦丁 诺沃肖洛夫( K. S. Novo selov) 因其在石