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。

另外一种则是使用化学还原的方法，通常采用浓硫酸和发烟硝酸等强酸
将天然石墨来进行氧化处理，得到氧化物之后在进行还原，这样能够得到石墨烯。

这种方法制备的石墨烯微片会有一定的含氧官能团，可以与树脂等高分子基体进
行结合，而且结合能力很强，通常适合制备高分子复合材料。

三、锂离子电池负极材料中石墨烯的应用
石墨烯，当它作为一种新型材料时，被众多科学人员研究，作为锂电池负极
材料使用时，它具有磷酸铁锂、三元锂等材料不具备的优点，它所能产生的实验
效果，讨论一下，首先以石墨烯来做负极材料得前提不变。

并且一直使用50mAg
的电流密度充放电，我们来观察第一次和多次实验得结果。

首先还是以50mAg来充放电，我们得出了石墨烯作为电极材料第一次的是540mAhg，这在最初看起来
也是一个较大得数值了。

但是在第二次开始，甚至是多次之后，我们会发现每一
次的充放电都会使电池的容量发生衰减。

研究人员通过多次变量和改变石墨烯本
身的排列方式来进行研究，发现了在多次充放过程中，容量的变化和石墨烯本身的排列息息相关。

换种方式，当我们使用热膨胀氧化石墨法制作方法来制作石墨烯，并继续用于锂离子电池负极材料的制作。

实验中用1mMg的电流密度来进行实验，其比容量既然能惊喜的达到554mAh/g。

显然这样的数据还不是极限，还有更多的可能。

后来研究人员发现，C6以及碳纳米管便是极限上升的重要条件。

在添加了这两样物质以后，其比容量居然可以达到更为惊人的784mAhg。

尽管如此，但是衰减率的问题还是没有得到有效的解决，在经过研究人员的多次实验之后，得出来一个结论：石墨烯材料做出来的锂电池拥有着很大的容量，特别是用于纯电动汽车电池中，能够增加行驶的里程数，但是当石墨烯作为锂电池负极材料时与其它材料一样，经过多次循环利用之后容量将会严重衰减，在多次充放电以后，会衰减的越来越严重。

所以我们得出来一个结论，石墨烯作为单独的电极材料来使用将会大大降低锂电池得寿命。

四、石墨烯基复合材料在锂电池负极材料中的应用
现如今，因为锂电池的发展，以石墨烯基复合材料为基本的研究有很多研究人员在探讨，在这些研究之中，主要分为两类，一种是用金属另外一种是用金属氧化物来与石墨烯分别进行复合实验。

这些实验在不同情况下都提高了锂电池的性能。

不仅仅如此，石墨烯也是对硅作为负极进行改性的关键。

首先我们得知道一种效应：体积效应，他是储能过程中重要得一环，如果能够有更大的体积，便能缓解一些情况，反之则不然。

因为石墨烯独特的形状，所以能够提供更为稳定的导电网络，得到更大的储能体积，所以这边克服了体积效应，从而加强了储锂的空间与性能。

当将纳米硅颗粒充分的分散在石墨烯上进行演变时，然后再热处理从而得到硅-石墨烯材料。

通过电化学测试的实验得到，该复合材料经过循环之后，锂电池的容量将大于2200mA•h/g。

然后再次经过循环，容量将大于
1500mA•h/g。

每个循环之后，我们会惊喜的发现，这些衰减率都将会小于0.59。

之所以这样得出来的材料能够拥有这么优异的性能，是因为纳米硅颗粒的分布有一些特点。

五、石墨烯金属氧化物复合材料在锂电池负极材料中的应用
根据当前的研究，当我们使用石墨烯和金属氧化物进行作用的时候，可以得到一种性能极其优越的复合形的电极材料。

再因为金属氧化物本身具有的特点，这便使得这样的材料，在储存电量时，能够有很高的密度。

所以这时我们再将金属氧化物颗粒，融于石墨烯片层中，确保离子传输通道的畅通。

还有一种方法，那就是气液界面合成法，因为SnO2纳米颗粒在石墨烯表面时，在充放电过程中基本不能凝聚的原因。

所以当我们用这种方法来制作的石墨烯这个复合材料的时候，再通过之前的循环充放的方法，来进行实验的时候，会发现这样的复合材料在100次循环甚至是200循环之后，依然可以保持
1400mA•h/g以上的可逆容量。

通过多次的实验还得出了另外一种方法，那便是喷雾干燥法。

将石墨烯复合材料的立体结构变成独特的Fe2O3微观立体结构。

这样的材料它的可逆容量高达惊人的900mA•h/g。

石墨烯不仅提供了充分的自由空间来缓解Fe2O3的体积效应，还从材料内部电子及离子来进行提高传输能力，以及石墨烯复合材料的循环稳定性。

石墨烯作为锂离子电池的材料拥有很多的优点，它为高性能负极材料性能的加强提供了无限的可能，如何制备出性能优异，符合人们需求，符合潮流所需的石墨烯基复合材料，成为了石墨烯当前研究的重点。

参考文献：
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