鋰離子電池具有能量密度高、可逆容量大、開路電壓大、使用壽命長等特點。在對鋰離子電池電極材料的研究過程中，一些碳元素的同素異形體及混合物可以作為導電性能優(yōu)良的穩(wěn)定材料，常被用于開發(fā)新型鋰離子電池負極材料的研究。
石墨烯由于其質(zhì)量輕、導電性好、韌性高等優(yōu)勢成為材料研究層面的一大突破。
2004年，Geim等人首次通過機械剝離法制得單層石墨烯，并發(fā)現(xiàn)了其特殊的電學、力學性質(zhì)，其在鋰離子電池電極材料的應(yīng)用也引起了人們的重視。
石墨烯概述
石墨烯是一種由碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面二維結(jié)構(gòu)納米材料，其C-C鍵長為0.141nm，理論密度約為0.77mg/m2，厚度僅為一個碳原子的直徑大小。碳原子以sp2的方式參與雜化，電子可以在層層之間順利傳導，故石墨烯導電性極好，是目前已知電阻率最小的材料，這也是石墨烯在電池發(fā)展前景廣闊的原因之一。
石墨烯材料具有出色的導熱性，其單層材料理論室溫熱傳導率可達3000-5000W/(m*K)，這一性質(zhì)可用于研究電池工作時的熱量耗散問題。其力學性質(zhì)優(yōu)異，是一種韌性和強度極好的材料，可用于開發(fā)研究柔性電極材料。
石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用
基于石墨烯的各項特殊理化性質(zhì)，石墨烯在電極材料研究領(lǐng)域開發(fā)潛力巨大。按照應(yīng)用領(lǐng)域的不同，石墨烯材料在鋰離子電池中的應(yīng)用大體可分為三類：石墨烯在正極材料中的應(yīng)用、在負極材料中的應(yīng)用和在鋰離子電池中的其他應(yīng)用。
1. 石墨烯在正極材料中的應(yīng)用
對于鋰離子電池，可應(yīng)用的正極材料應(yīng)當滿足可逆容量大、電位高且穩(wěn)定、無毒害、制作成本低等特點。目前較為常見的鋰離子電池正極材料多為磷酸鐵鋰材料，但LiFePO4的電導率差、鋰離子遷移率較低。若將LiFePO4材料與石墨烯復(fù)合，理論上可以改善其導電能力，提高倍率性能。
由于石墨烯材料的特殊性，在正極方面對石墨烯材料的研究相對較少。研究表明，用水熱法將石墨烯直接覆蓋在LiFePO4表面上制成復(fù)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結(jié)構(gòu)的堆疊或破壞。
研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯將LiFePO4半包裹后形成的材料可以提高LiFePO4材料的導電性能，但將其全包裹后離子傳輸效率下降，并推測可能是因為鋰離子無法通過石墨烯的六元環(huán)結(jié)構(gòu)。有研究人員將LiFePO4納米顆粒與氧化石墨進行超聲混合，制得了微觀結(jié)構(gòu)更加工整的LiFePO4/石墨烯復(fù)合材料。該材料經(jīng)過進一步的常規(guī)碳包覆后嵌鋰比容量大大提升，可在60C高倍率條件下仍然維持在70mAh/g左右。
2. 石墨烯在負極材料中的應(yīng)用
鋰離子電池負極材料應(yīng)當滿足氧化還原電位低且穩(wěn)定、可逆容量大、可形成致密穩(wěn)定SEI膜、對環(huán)境無毒害、制作成本低等條件。相對于正極材料，石墨烯在負極材料中的應(yīng)用研究更加廣泛深入。
石墨烯直接作為負極材料
石墨烯具有良好的導電性能，但其二維微觀結(jié)構(gòu)的易相互堆疊導致對石墨烯獨立電極材料的研究并不理想。主要表現(xiàn)為電池的倍率性能差、循環(huán)效率低等方面。Honma等制得的石墨烯可逆比容量在首次循環(huán)(50mA/g電流密度)中可以達到540mAh/g，但在多次循環(huán)后可逆比容量下降較快;而利用熱膨脹法獲得石墨烯在100mA/g電流密度首次循環(huán)時可以達到較高可逆比容量(1264mAh/g)，且在40次循環(huán)后仍可保持較高的可逆比容量。
石墨烯復(fù)合負極材料
目前石墨烯負極復(fù)合材料主要有：過渡金屬氧化物/石墨烯復(fù)合材料和石墨烯改性硅基材料等。這一類復(fù)合材料的研究方向是利用石墨烯材料的導電性能和結(jié)構(gòu)特點輔助納米材料，改善其鋰離子傳輸速率，從而提高鋰離子電池的倍率性能，彌補原材料的缺陷和不足。
Si元素可用于鋰離子電池形成充電比容量極高的Li4.4Si，其放電電壓穩(wěn)定、自然儲量豐富的特點使其擁有極大的發(fā)展前景;但其在充放電過程中的體積變化嚴重，導致電池的循環(huán)效率較低。若用納米碳材料對Li4.4Si材料進行適當?shù)陌?，則可減緩這種體積效應(yīng)帶來的影響。Yushin等利用CVD法將Si膜形成在石墨烯材料的表面，并用丙烯在高溫條件下進行了碳包覆以增強其導電性，制得了一種Si/(G+C)復(fù)合材料，有效地實現(xiàn)了對鋰-硅材料充放電過程中體積效應(yīng)的改善，增強了電池循環(huán)性能。但是這類材料的制備成本較高，材料也具有易燃的性質(zhì)，在安全方面具有一定的問題，但可以看作是石墨烯復(fù)合材料改善原材料缺陷的典例之一。
過渡金屬氧化物在金屬元素不同氧化態(tài)之間的轉(zhuǎn)化過程中具有十分可觀的理論容量，但其獨立材料存在體積效應(yīng)大、電子傳輸速率低等問題。如果將金屬氧化物的納米材料附著于石墨烯表面，則可以防止顆粒之間的團聚，同時充分發(fā)揮石墨烯材料的比表面積優(yōu)勢和過渡金屬氧化物的高容量優(yōu)勢，提高鋰離子的傳輸速率。
3. 石墨烯在鋰離子電池中的其他應(yīng)用
鑒于其優(yōu)異的導電性能，石墨烯材料可以作為導電添加劑優(yōu)化電池的電導率。Han等將石墨烯材料加入Si納米材料中，其改性效果優(yōu)于一般的導電添加劑如天然石墨等。其首次循環(huán)可逆比容量高達2347mAh/g，循環(huán)20次后仍可達2041mAh/g;Song等將石墨烯作為導電添加劑加入到石墨材料當中，優(yōu)化了石墨材料的導電性能。其機理是石墨烯材料以層狀結(jié)構(gòu)搭建在石墨之間，類似于構(gòu)建起電子通過的“橋梁”。這種材料與石墨接觸面積大，避免在多次循環(huán)后類似乙炔黑顆粒的體積變化、與石墨材料接觸面積減小而導致的性能下降。
此外，石墨烯由于其出色的力學強度和韌性在制備可變形性強的鋰離子電池方面也發(fā)揮了獨特作用。He等將對苯二甲酸乙二酯表面涂上石墨烯薄膜形成的復(fù)合材料具有可觀的柔性，并且減小了材料的密度，優(yōu)化了其性能;Cheng等則將石墨烯材料真空抽濾附著在濾紙表面，制得了力學性質(zhì)和導電性能都較為優(yōu)越的石墨烯/纖維素復(fù)合材料。
實驗室和研發(fā)條件下制備的石墨烯負極材料和石墨烯導電劑的成功例子為工業(yè)生產(chǎn)中石墨烯鋰離子電池的產(chǎn)品化提供了雄厚的科研基礎(chǔ)，那么現(xiàn)實中的石墨烯鋰電池是什么情況呢?
第一款產(chǎn)品是東旭光電于2016年推出的產(chǎn)品“烯王”。2016年7月8日，東旭光電在舉辦了石墨烯基鋰離子電池產(chǎn)品發(fā)布會，推出了世界首款石墨烯基鋰離子電池產(chǎn)品——“烯王”。
第二款產(chǎn)品是2016年12月華為推出的業(yè)界首個高溫長壽命石墨烯助力的鋰電池。石墨烯助力的高溫鋰離子電池技術(shù)突破主要來自三個方面：在電解液中加入特殊添加劑，除去痕量水，避免電解液的高溫分解;電池正極選用改性的大單晶三元材料，提高材料的熱穩(wěn)定性;同時，采用新型材料石墨烯，可實現(xiàn)鋰離子電池與環(huán)境間的高效散熱。
第三款產(chǎn)品是傳媒所說的東旭光電和貝斯特做的“國產(chǎn)石墨烯電池”，事實是石墨烯用在了隔膜上……
當然，市面上不斷的有各種石墨烯鋰電池專利被爆出來，但是也僅僅停留在專利階段。包括三星、松下、LG等等都有石墨烯的相關(guān)專利申請。目前市面上還沒有企業(yè)對石墨烯基鋰離子電池進行量產(chǎn)。
總結(jié)與展望
與傳統(tǒng)塊體材料相比，石墨材料具有優(yōu)越的導電性能、導熱性能、韌性以及極為輕薄的二維結(jié)構(gòu)，使其在鋰離子電池新型電極材料的開發(fā)研究領(lǐng)域具有廣闊的前景。
然而，在石墨烯電極材料開發(fā)的初級階段，仍有許多問題需要解決，例如復(fù)合材料的循環(huán)性能由于材料微觀結(jié)構(gòu)不可逆改變而嚴重下降;電池的倍率性能大小不夠理想;材料制備成本對實際使用推廣的局限作用等。
為了解決這些主要問題，近年來，對于石墨烯電極材料性能的優(yōu)化研究主要集中于以下幾個方向：
1、提高電池的可逆比容量，提升電池的充放電性能，延長電池壽命;
2、提高電極材料的電子傳遞速率和脫嵌鋰離子速率，提高鋰離子電池倍率性能，實現(xiàn)快速充電;
3、拓展新型納米材料的實際應(yīng)用，充分發(fā)揮不同納米材料的綜合優(yōu)勢;
4、開發(fā)可變形性強的電池材料，提升電池的環(huán)境適應(yīng)能力，增強石墨烯電極材料在柔性電池方面的應(yīng)用;
5、開發(fā)優(yōu)化新型生產(chǎn)工藝，降低石墨烯電極材料生產(chǎn)成本，實現(xiàn)電池的大批量商業(yè)化生產(chǎn);
6、積極尋找化學性質(zhì)穩(wěn)定、綠色環(huán)保無污染的復(fù)合材料，實現(xiàn)電池環(huán)境友好，減少電極材料可能造成的安全隱患和污染。
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