中国粉体网讯 2010年诺贝尔物理学奖颁给两位石墨烯研究者，在全球范围内掀起石墨烯研究热潮。石墨烯作为一种新型材料，在储能领域有巨大的应用潜力，比如锂电池、锂硫电池、空气电池、储氢、超级电容等方向都可应用。
石墨烯具有超高的电子迁移率、比表面积和拉伸强度，以及优异的柔韧性，不仅可以提高锂电池的能量与功率密度，获得更高的储锂容量和更好的快充性能，而且有助于攻克固态电池的固/固界面技术难题。
石墨烯结构示意图（来源：Pixabay）
正极材料导电添加剂
目前，镍钴锰酸锂、磷酸铁锂是最常用的锂离子电池正极材料，它们的优点是循环性能好，理论比容量高。但是这些材料本身的导电性差，使得电极的内阻较大，严重影响电池的循环、倍率及安全等性能。因此，需要通过加入导电剂来改善其性能。
导电剂材料的基本功能是在电极活性微粒之间建立离子高速传输通道，提升电子传输速度。碳系材料具有轻质、高导电、导热性、良好的化学稳定性，是目前应用最为广泛的一类导电剂。碳系材料中导电石墨、导电炭黑等传统导电剂已经无法满足市场需求，因此研究和发展新型导电剂势在必行。
石墨烯单相导电剂
石墨烯作为一种二维纳米材料，导电性能非常优异，大比表面积的石墨烯附着在正极材料颗粒表面，相互交织在一起形成了庞大的高速导电网络，锂离子和电子的迁移速率能够有效提升。因此，具有高的电导率和大比表面积特性的石墨烯与锂电池正极材料组成的复合材料可以克服电极材料导电性不足的缺点，使其高比容量的特性得到充分发挥。
在小倍率电池充放电的情况下，随着石墨烯添加量的增加，放电比容量先变大后变小。与商业导电剂比较，加入少量的石墨烯就可以达到良好的导电效果，电池性能也相应提高。但电池在大倍率充放电时，单独使用石墨烯作为导电剂没常规导电剂的性能好。于是人们开始研究将石墨烯与常规导电剂复合成二元导电剂添加到电池中。
石墨烯/炭黑复合导电剂
当石墨烯与炭黑构建成为复合导电剂材料时，在原有网状链式炭黑结构的基础上均匀包裹了大量的二维石墨片层，片层的间隙由充当骨架结构的炭黑填充，通过协同传导作用，由原来的点位二维传导变成了点面三维结构传导，同时解决了石墨烯叠加和团聚的问题，提高了结构稳定性与传导效率。
石墨烯/碳纳米管复合导电剂
石墨烯/碳纳米管作为导电添加剂加入锂离子电池材料时，两者可构建三维网状导电点位结构。碳纳米管贯穿于各层石墨烯片中，使原来的二维传导空间变成了三维桥连结构输运通道，提供更为快速与通畅的电子导电路径，大大提升了传输效率，提高了锂离子在电池正极中的传输速率，同时碳纳米管的骨架作用有效增强了石墨烯结构稳定性，避免了团聚与堆叠。
复合负极材料
石墨烯可以添加到锂电池的负极材料中，以提升其电化学性能。常规锂电池中所采用的是石墨等负极材料，比容量和能量密度偏低，不能满足市场的新需求。目前负极材料的研究主要集中在能促进电池容量提升的Si基材枓、锂金属材枓、过渡金属氧化物/硫化物等方面，但这些材料普遍存在体积变化大、导电性差等问题，制约了锂电池的性能。将石墨烯与这些新型负极材料复合，构建各种包覆结构，是解决此问题的有效途径。
硅/石墨烯复合负极材料
一方面，石墨烯的结构有一定的机械强度和柔韧性，能够在锂化过程中缓冲硅的体积膨胀，有助于提高硅的电导率，从而获得性能更加优越的硅/石墨烯复合电极材料；另外一方面，石墨烯的掺入使得硅纳米颗粒的分散更加均匀，有利于材料循环性能和比容量的提升。
硅/石墨烯复合材料制备示意图（来源：万传云等，《锂离子电池用石墨烯改性硅负极材料的研究进展》）
锂金属/石墨烯复合负极材料
石墨烯具有强的机械性能、好的柔韧性和耐化学腐蚀性，可以适应锂金属在电池循环过程中的体积变化和复杂的电化学环境，采用石墨烯改性锂负极有望实现对锂金属的保护。研究发现，石墨烯需要具有多孔结构以及丰富的亲锂位点，才能起到稳定SEI膜的作用，有效抑制锂枝晶生长。同时，叠层次数会影响石墨烯与锂的结合程度以及石墨烯在复合材料中的形貌结构，进而影响石墨烯/锂金属复合材料的电化学性能。
金属氧化物/石墨烯复合负极材料
单纯的金属氧化物作为电池负极材料时，比容量可达700～1000mAh/g，但在充放电过程中，容易出现体积膨胀的现象，电池容量和倍率性能也会随之减少。石墨烯填充在金属氧化物颗粒之间，既能减缓金属氧化物的体积变化，同时良好的导电性能和大的比表面积也能有效增强导电效果，Li+传输速率增大，电导率显著提高。将金属氧化物嵌入石墨烯中构建了全新的三维传输结构，使复合材料的结构更加稳定，有效减少了在充放电过程中的团聚与叠加现象，电池的存储容量进一步得到提高。
金属氧化物/石墨烯复合材料类型及性能（来源：于永波，《石墨烯材料在锂离子电池中的研究进展》）
固态电池界面改性
目前，关于高电导率固态电解质的研究取得了重大进展，但其与电极形成的固/固界面浸润性较差，对于界面电阻、化学相容性和界面稳定性都有不利影响。
在负极界面区，构建石墨烯三维框架、叠层和空心球等结构可抑制锂枝晶的形成和电极充电时的体积膨胀。
在正极界面区，将石墨烯与电极材料、电解质复合来改善电荷转移；此外，石墨烯充当缓冲层改善了界面相容性问题进而提升了电池整体的性能。
参考资料：
1、韩宏伟，《石墨烯在锂离子电池领域研究现状的分析》
2、于永波，《石墨烯材料在锂离子电池中的研究进展》
3、文芳等，《锂离子电池中石墨烯导电剂分散方法的研究进展》
4、万传云等，《锂离子电池用石墨烯改性硅负极材料的研究进展》
5、郭晓东等，《石墨烯在固态电池界面改性中的应用》
6、杜真真等，《石墨烯/锂金属复合材料的制备和电化学性能》
（中国粉体网编辑整理/长安）
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