石墨烯电池的正负极材料运用与未来发展

墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。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维材料。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（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），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”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。并且，石墨烯在自然界也有产出，它体现为高能物理状态下的圈量子的粒子态相。

　　石墨烯具有独特的二维结构、优异的性能和各种潜在的应用价值，是当前材料科学领域研究的热点，石墨烯基纳米材料是一种很有吸引力的锂离子电池电极材料，尤其针对高能量密度与高功率密度电池。　　

     石墨烯电池，利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出的一种新能源电池。

　　石墨烯电池的原理

　　石墨烯电池利用环境热量自行充电的试验

　　石墨烯电池在饱和氯化铜溶液中，时间（小时、天数）和产生电压的关系。

　　实验制成电路其中包含LED，用电线连接到带状石墨烯。他们只是把石墨烯放在氯化铜（copper chloride）溶液中，进行观察。LED灯亮了。实际上，他们需要6个石墨烯电路，形成串联，这样就可产生所需的2V，使LED灯发亮，就可以得到这个图片。

　　徐子涵和同事说，这里发生情况就是铜离子具有双重正电荷，穿过溶液的速度约每秒300米，因为溶液在室温下的热能量。当离子猛烈撞入石墨烯带时，碰撞会产生足够的能量，使不在原位的电子离开石墨烯。电子有两种选择：可以离开石墨烯带，和铜离子结合，也可以穿过石墨烯，进入电路。

　　原来，流动的电子在石墨烯中更快，超过它穿过溶液的速度，所以电子自然会选择路径，穿过电路。正是这一点点亮了LED灯“释放的电子更倾向于穿过石墨烯表面，而不是进入电解液。设备就是这样产生电压的，”徐子涵说。

　　因此，这个装置产生的能量来自周围环境的热量。他们可以提高电流，只需加热溶液，也可用超声波加快铜离子。只依靠周围热量，就可以使他们的石墨烯电池持续运行20天。但是，还有一个重要的问号。另一个假设是某种化学反应产生电流，就像普通的电池。

　　然而，徐子涵和同事说，他们排除了这一点，因为进行了几组控制实验。然而，这些是在一些补充材料中介绍的，他们似乎并没有放在arXiv网站上。他们需要赶在别人做出严肃声明之前公开。从表面价值来看，这看起来是一项非常重要的成果。其他人也在石墨烯中产生过电流，但只是让水流过它，所以这并不真的使人吃惊，移动的离子也可以产生这样的效果。这预示着清洁的绿色电池，只依靠环境热量驱动。徐子涵和同事说：“这代表着一个巨大的突破，研究的是自驱动技术”。

　　

　　石墨烯在锂电正极和负极材料的应用前景

　　正极材料

　　当前市场常见的正极材料是钴酸锂、锰酸锂、三元材料（镍钴锰酸锂）和磷酸铁锂。在动力电池领域，锰酸锂和磷酸铁是最有前途的正极材料。

　　负极材料

　　主导锂电池市场的负极材料-------石墨

　　优点：价格低廉，来源广泛。

　　缺点：电容量小，循环使用衰减大，压实密度低。

　　未来可能应用的负极材料------非炭基负极材料，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，循环性能差。

天然石墨（a）与石墨烯（b）电极前三次充放电曲线

　　石墨烯是近年来研究较多的一种新型材料，具有良好的导电性能和倍率性能，在锂离子电池正极材料和负极材料领域极具应用潜力。

　　在正极复合材料中，石墨烯二维高比表面积的特殊结构及优异的电子传输能力，能有效改善正极材料的导电性能，提高锂离子的扩散传输能力。相比于传统导电添加剂，石墨烯导电剂的优势在于能用较少的添加量，达到更优异的电化学性能。此外，也有石墨烯包覆正极材料如磷酸铁锂，锰酸锂的相关报道。

　　负极材料方面，纯石墨烯材料由于首次循环库仑效率低、充放电平台较高以及循环稳定性较差，并不能取代目前商用的碳材料直接作为锂离子电池负极材料使用。但石墨烯可以作为一种优异的基体材料在锂电池复合电极材料中发挥更大的作用。将石墨烯与天然石墨、碳纳米管、富勒烯等碳材料复合，能利用石墨烯的特殊片层结构，改善材料的力学性能和电子传输能力。同时，掺杂后的石墨烯片层间距增大，提供更多的储锂空间。

石墨烯的应用前景

　

石墨烯的应用方向

　此外，石墨烯还可以用于改性其他非碳基负极材料。目前研究的锂离子电池非碳基负极材料主要有锡基、硅基以及过渡金属类为主的电极材料，这类材料具有高理论容量，但其缺点是在嵌锂/脱锂过程中体积膨胀收缩变化明显。石墨烯掺杂改性后的复合材料能改善这两种材料单独使用时的缺点。

　　其优势主要体现在以下几方面：

1.石墨烯片层柔韧，可有效缓冲金属类电极材料的体积膨胀；

2.石墨烯优异的导电性能可以增强金属电极材料的电子传输能力；

3.石墨烯表面的活化核点能控制在其表面生长的金属氧化物颗粒保持在纳米尺寸，改善材料的倍率性能；

4.复合材料的比容量相对于纯石墨烯有较大提高；

5.金属或金属氧化物的纳米颗粒能保护石墨烯表层，防止电解质插入石墨烯片层导致电极材料剥落现象。