石墨烯锂硫电池
以《超快长循环寿命锂硫电池：基于石墨烯的三明治结构》为题，介绍了高容量、长循环寿命、低成本及环境友好的新型石墨烯锂硫(Li-S)电池开发，并取得重大突破。据介绍，新型石墨烯锂硫电池理论比能量为2567Wh/Kg而中科院金属所采用石墨烯集电体的轻质特点，使其构成的锂硫电池具有更高的能量密度。目前常用锂电池能量密度140Wh/Kg。也就是说，该电池的储电能力达到目前锂电池18倍以上，相当于将比亚迪E6电动汽车700KG电池，缩小约95%或35KG.根据早前的各方面消息，该电池的功率密度及充电时间均已解决，一次充电多在
6分钟以内，其循环次数及电池寿命高于目前锂电池的百倍。大众化车用动力电池即将投入使用阶段，据测算，使用该电池之电动汽车的使用成本，约相当于燃油汽车的20%。据2014年2月17日中科院金属所的最新消息，石墨烯锂硫电池研发再次取得重大突破。这种超级电池“组装方法与现有锂离子电池工艺兼容，具有进一步放大和产业化前景”。与目前用在小汽车上电池比较,其重量下降90%以上，一次充电不超过10分钟，巡航里程超过450公里，每公里成本下降4/5，电池寿命超过30年。该项研究以工业化生产的石墨烯为原料，通过连续工艺制备了石墨烯集流体和石墨烯复合隔膜，其组装方法还与现有的锂离子电池制造工艺可以兼容，因此具有进一步放大和产业化的前景，中科院金属所已经申请了三项专利。
锌锰电池以二氧化锰为正极，锌为负极，氯化铵水溶液为主电解液的原电池。俗称干电池。学术界中又称为勒克朗谢电池。用面粉、淀粉等使电解液成为凝胶，不流动，形成隔离层，或用棉、纸等加以分隔。锌锰电池的开始电压随使用的MnO2的种类、电解液的组成和pH值等的不同而异，一般在1.55～1.75V，公称电压为1.5V。最适宜的使用温度为15～30℃。锌锰电池是普通干电池的升级换代的高性能电池产品，有LR6(五号)和LR03(七号)两种产品电池。产品分普通型(含汞量60%)和微汞量(含汞量不大于25%)，现正在开展无汞型电池试制。性能和用途: 电池性能符合国家行业标准，与国外电池性能相当。由于能重负载，大电流放电，电容量大，低温性能和防漏性能好，性能价格比低(价为干电池2-3倍，大电流工作电能是6-8倍)等优点而广泛用于民用和工业。特别适用于闪光照相
机，微型收录机，摄像机，对讲机，BP机，剃须刀，手掌型彩电和游戏机，玩具，遥测器，报警器，计算器，助听器，手电筒和电钟等仪器设备。如AA型(五号)碱性锌锰电池用于闪光照相机可连拍8-10个胶卷，而干电池只能拍1-2个胶卷，镉镍电池就不能使用。可以说凡是使用干电池，镉镍电池的都可由碱性锌锰电池来取代。市场和经济效益: 该产品主要市场是稳定而有保证的民用市场，随着科技发展，民用电器的普及和使用，市场前景是很好的。园筒型电池中，碱性锌锰电池在美国市场占75%，欧洲48%，日本25%。我国预计1995年干电池产量为80亿节，是世界生产干电池的大国。按25%计算的话，碱性锌锰电池要生产20亿节，但国内的人均仅只每年2节，还不包括外销市场(中东、非洲、中南美和欧洲等)，因此国内外市场是很大的。该产品生产成本普通型90
元/节，微汞型100元/节，市场价为25元/节，生产线的班产为8千-1万节。原材料和投资: 生产所用的原材料在国内均有定点供应，设备投资70万元，设备半年之内到位。厂房面积240-260平方米(不含办公用房)，电力要50-60千瓦。银锌蓄电池
基本资料正极为氧化银，负极为锌，电解液为氢氧化钾溶液。银锌蓄电池的比能量大，能大电流放电，耐震，用作宇宙航行、人造卫星、火箭等的电源。充、放电次数可达约100～150次循环。其缺点是价格昂贵，使用寿命较短。发展历程也许你是第一次听说银锌电池这个名词，但这并不妨碍银锌电池的电池鼻祖地位。早在1800年春季，意大利科学家伏打（Volta）就发明了著名的“伏打电池”。这种电池是由一系列圆形锌片和银片相互交迭而成的装置，在每一对银片和锌片之间，用一种在盐水或其他导电溶液中浸过的纸板隔开。银片和锌片是两种不同的金属，盐水或其他导电溶液作为电解液，它们构成了电流回路。这是一种比较原始的电池，是由很多银锌电池连接而成的电池组。如你所知，这便是所有电的雏形。经过了200多年的更迭，银锌电池至今仍然出现在我们的手表、计算器等低耗电设备中。既然银锌电池有那么久远的历史，为什么至今才被当作锂电池最有希望的接班人推出？其实自问世以来，民用的银锌电池就只能提供较低的电压和电流，电池容量也相当小。普通的锌银电池的正极是氧化汞加石墨，或者是氧化银加石墨，负极材料是金属锌，电解质是强碱氢氧化钾。普通银锌电池性能稳定，不可充电，占据了纽扣电池市场的半壁江山。在上世纪七十年代，人们才开
发出了银锌蓄电池。银锌蓄电池正极采用Ag2O2 + 2H2O + 4e- ® 2Ag + 4OH-，负极采用2Zn + 4OH- ® 2Zn(OH)2 + 4e-，可以拥有极高的电容量和稳定的电池性能。大容银锌蓄电池价格惊人，在当今的航天飞机、导弹、鱼雷等尖端领域才能找到大容量银锌蓄电池的身影。最初的银锌电池原型对于数码设备来说，在不考虑成本的情况下，银锌电池将会使最佳的选择。为了实现银锌电池低价化的目标，一家叫做Zinc Matrix的公司自1999年开始就在风险投资的助力下开发低成本长寿命的银锌充电电池。经过了几年的努力，在2006年Intel信息技术峰会上，Zinc Martix展出了它们首个民用银锌充电电池原型。初次展出的该款电池只有1.6V电压，但电池容量可以达到10AH。在随后的两年间，Zinc Martix改名为ZPower，继续从事银锌电池的改良设计。2008年5月ZPower公司宣布旗下的银锌充电电池在同等体积下能获得超过锂电池30%~40%的电容量，并且较后者更安全耐用。预计首款采用ZPower银锌充电电池的笔记本电脑将会在2009年全面上世。内部原理放电时电极反应可写成：负极Zn+20H-2e=ZnO+ H2O 正极Ag2O+H20+2e=2Ag+20H 电池总反应为：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag 微型纽扣式银锌电池由正极壳、负极盖(二者都用不锈钢做成)、绝缘密封圈、隔离膜、正极活性材料(AgO和少量石墨粉，后者起导电作用)、负极活性材料(含汞量很少的锌汞合金)、电解质溶液(浓KOH溶液)等组装而成。质量较好的可用约1年，最好的可用约2年。手表中用的一般就是这种纽扣式电池。这种电池用完后即报废，不再去充电。为什么在纽扣式银锌电池中的负极活性材料用的不是单纯的锌而是含汞量很少的锌汞合金?这是因为如果用了单纯的锌，电池在未工作时(即空置时)就会被电池中的电解质溶液腐蚀而放出氢气,以致影响电池的使用寿命，而改用含汞虽然很少的锌汞合金的话，可以使电池在未工作时锌极被腐蚀的过程被阻止到最小的度。不仅银锌电池是这样，在其它某些电池中也采取同样的措施。如在制造锌锰干电池的传统工艺中，锌皮用氯化汞溶液处理，部分锌发生了反应：Zn+ Hg=Zn+Hg 生成的汞与未起反应的锌形成锌汞合金。制造过程中控制HgCl2的用量，使生成的合金中含汞仅约0.25％。汞太多则使锌变脆。近年来正在研究干池等中不用汞的工艺以避免汞污染的危害。
“量子电池”比传统电池充电更快最近，来自英国、意大利等四国的物理学家在英国物理学会（IOP）刊物《新物理学》杂志上发表论文，提出了“量子电池”的概念，并理论证明了多量子比特相互纠缠而产生的“量子加速”能为充电提供捷径，所以用量子电池充电比传统电池更快。量子电池可以有多种物理形式，离子、中性原子、光子等。量子比特能同时处于两种状态，在量子电池中，这两种状态代表不同能级，充电表示将量子比特由低能态变成高能态，而放电是逆向过程。这些特殊的量子比特称为“工作量子比特”，因为它们可以在储电后用于以后的工作。从本质上说，实验室中任何可控的、有稳定特征能态的量子系统都可以看作是一种电池。量子系统与传统电池的重要区别是，量子比特之间的联系非常密切，整个量子比特阵列可作为一个量子态。研究人员证明：在充电过程中，与没有纠缠的量子相比，纠缠量子在低能态和高能态之间通过的距离更短，而且量子比特越多，纠缠越强，充电过程也就越快，充电使用时间与量子比特数量成反比。因此，假如1个工作比特充电要1小时，6个工作比特就只需10分钟。但实际上，典型量子系统不可能保持量子态这么长时间，它会与周围环境相互作用而退相干。除了退相干以外，量子电池用于现实的另一个障碍是，相对于手机、电动车等设备的用电需求来说，它们能存储的电量太小了。论文合著者、意大利阿卜杜斯·萨拉姆国际理论物理中心物理学家约翰·古尔德说：“量子系统的储电量比日常用电设备要小好几个数量级。我们只是从理论上证明了在给一个系统输入能量时，量子物理能带来加速。”此外，还有一个大问题在于：除了发热（无序能量）以外，量子电池能否做功（定向能量）。研究人员打算进一步研究热力学过程中的量子效应，以更好地理解量子电池的潜在应用。
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关于石墨烯电池的调研报告 0引言 《世界报》的一则关于西班牙Graphenano 公司同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池的消息，引起了世界各地的转发与评论，该消息称石墨烯聚合材料电池能够提给电动车1000公里的续航能力，而其充电时间不到8分钟。为调查此消息的真实性与石墨烯聚合材料电池的可行性，于是检索、收集了大量的资料，并总结做出了自己的调查结果。 1石墨烯简介 石墨烯（Graphene ）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維材料。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?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫，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」为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达K m W ?/5300，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过s V cm ?/215000，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约m ?Ω-810，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。 特斯拉CEO 马斯克近目在接受英国汽车杂志采访时表示，正在研究高性能电池，特斯拉电动车的续行里程很快将能达到800公里，比目前增长近70％。其表示，特斯拉始终致力于打造纯电动汽车，将继续革新电池技术，不考虑造混合动力车。特斯拉Model3电动汽车的续行里程有望达N320公里，售价约为3.5万美元。[]《功能材料信息》 2014年第11卷第4期 56-56页据悉，石墨烯兼具高强度、高导电性、柔韧性等优点，应用于锂电池负极材料后，可大幅度提高其电容量和大倍率充放电性能 ，或成特斯拉电池的理想材料。 特斯拉研究高能电池石墨烯或为理想材料 这项新技术的核心在于，新型多孔石墨烯材料含有巨大的内部表面区域，因此能实现在极短时间内充电。所充电能量与普通锂电池的电能量相当。更重要的是，石墨烯电池电极在经过1万次充放电之后。能量密度并未出现明显损失。 这种多孔石墨烯材料的超级电容，还可以为电动车节省大量的能量"如今，电动车的电能浪费现象仍旧普遍存在" 1新闻方面 首先，我从网上搜索了相关的新闻，包括ZOL 新闻中心科技频道的“石墨烯电池或将引领改革：充电10分钟跑1000公里”说道“这项突破性研究，为人类认知石墨烯等材料特性带来全新发现，并有望为燃料电池和氢相关技术领域带来革命性的进步”；21世纪经济报道的“中国2015年量产石墨烯锂电池或颠覆电动车行业”说道“2014年12月初，西方媒体报
石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用石墨烯(Graphene)是一种仅由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型晶格的平面薄膜，亦即只有一个碳原子厚度的二维材料。相比其他炭材料如碳纳米管，石墨烯具有独特的微观结构，这使得石墨烯具有较大的比表面积和蜂窝状空穴结构，具有较高的储锂能力。此外，材料本身具有良好的化学稳定性、高电子迁移率以及优异的力学性能，使其作为电极材料具有突出优势。与碳纳米管类似，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等缺陷并不能取代目前商用的炭材料直接用作锂离子电池负极材料。随着制备技术的发展，通过控制石墨烯片层间的间距，防止固体电介质层的形成大量消耗锂离子，并合理平衡缺陷结构与“死锂”的产生也许是石墨烯材料进一步向实用化材料发展的方向之一。 1.硅-石墨烯基复合材料在锂电池负极材料中的应用 石墨烯也是对硅负极进行改性的重要骨架材料。它能够提供自由空间来缓冲充放电过程中的体积效应，保证脱嵌锂过程中材料结构的完整性；同时，石墨烯片层间能形成稳定的导电网络，从而提高电极的储锂性能。Lee等将纳米硅颗粒高度分散在石墨烯薄片上，然后进行热处理还原得到硅-石墨烯复合材料，电化学测试表明，该复合材料经过50个循环后，容量大于2200mA·h/g，200个循环后容量大于1500mA·h/g，每个循环的衰减率小于0.5%。该复合材料优异的电化学性能得益于纳米硅颗粒均匀分散在柔韧的石墨烯层间，不仅改善了硅的电子电导，而且有效缓冲了硅的体积效应。 高鹏飞通过喷雾干燥技术将二维的石墨烯加工成具有三维结构的导电网络，同时将纳米硅粉包裹在其内部空腔内，得到了一种“包裹型”硅碳复合材料。该材料具有高达1525mA·h/g 的比容量和较好的循环稳定性。这得益于硅与石墨烯的协同效应，纳米硅粒可分隔石墨烯层，防止其堆叠失效；而石墨烯层可以缓冲硅的体积效应，其导电网络结构可改善活性硅颗粒的电接触，维持材料结构稳定。Ma等通过喷雾干燥法合成具有浴花形状的硅-石墨烯复合材料（见图1）。电化学测试表明，该复合材料的首次充放电容量分别为2174mA·h/g和1252mA·h/g，经过30个循环后，可逆容量仍保持在1500mA·h/g以上。其优异的电化学性能归因于这种特殊的浴花状结构以及石墨烯与纳米硅颗粒之间的协同作用，石墨烯提供足够的空间来缓冲充放电过程中硅的体积变化，并防止硅颗粒的聚集。此外，高导电性的石墨烯包裹活性纳米硅颗粒，从而保持其循环过程中稳定的电接触。
石墨烯用作锂电负极产业化前景渺茫 2015-06-26 作者： 自从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)二人因为“二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得2010年诺贝尔物理学奖之后，任何与石墨烯有关的新闻或者研究成果都受到了人们极大的关注。最近两年，石墨烯相关“产业”在国内也是如火如荼，与石墨烯有关的数十支概念股一再被爆炒。 国际上当然也没闲着，比如一则轰动性的新闻报道宣称：西班牙Graphenano公司(一家工业规模生产石墨烯的公司)同西班牙科尔瓦多大学合作研究出全球首个石墨烯聚合材料电池，储电量是目前市场最好产品的3倍，用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而充电时间不到8分钟。 Graphenano公司相关负责人称，虽然此电池具有各种优良的性能，但成本并不高，该电池的成本将比一般锂离子电池低77%，完全在消费者承受范围之内。 这则消息在国内被很多媒体转载报道，在新能源汽车界和锂电界引起了很大反响。最近有不少朋友询问笔者：“会做石墨烯电池吗?石墨烯电池前景如何?什么时候量产?”笔者相信，很多锂电界同仁也有类似的问题。并不是所有人都有电化学或者材料学背景，关注石墨烯电池也可能是出于不同目的，所以他们都不会问一个最基本的问题：什么是石墨烯电池? 在本文中，笔者希望能够揭开笼罩在石墨烯电池上面的神秘面纱，让大家真正了解石墨烯在电化学储能方面的应用价值，而不是被一些非专业的记者或者炒作者蒙蔽，即便真相也许并不是那么鼓舞人心。 什么是石墨烯?先来看看维基百科的定义：“石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道?成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一??碳原子厚度的二?材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它?缀跏峭耆?该鞯模?晃??.3%的光;导热系?蹈哌_5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-8俜m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。”
石墨烯基锂离子电池项目商业计划书（典型案例·仅供参考） 广州中撰企业投资咨询有限公司 中国·广州
目录 1执行总结 (4) 1.1公司 (6) 1.2 产品 (6) 1.3市场 (6) 1.4 生产 (7) 1.5 营销 (7) 1.6 投资与财务 (7) 1.7组织与人员管理 (8) 2项目背景 (9) 2.1产业背景 (9) 2.2政策背景 (10) 2.3市场前景 (11) 2.4行业上、下游产业链分析 (13) 2.5 现有技术、产品情况分析 (15) 3产品及技术描述 (17) 3.1产品描述 (17) 3.2技术描述 (17) 3.3产品专利与设计 (27) 4市场分析 (29) 4.1市场定位 (29) 4.2产品价值 (30) 4.3产品产量分析及预测 (31) 4.4市场需求分析及预测 (32) 4.5消费状况分析 (33) 4.6进出口量值分析 (33) 4.7 效益分析 (34)
5竞争分析 (36) 5.1 行业内的竞争 (36) 5.2 买方讨价还价的能力 (37) 5.3 供应商 (38) 5.4 潜在进入者 (38) 5.5 替代威胁 (38) 6公司战略 (39) 6.1公司概述 (39) 6.2企业文化 (40) 6.3发展战略 (40) 7市场营销 (42) 7.1 销售策略和目标 (42) 7.2 产品策略（Product） (43) 7.3 价格策略（Price） (43) 7.4 销售渠道（Place） (44) 7.5促销策略（Promotion） (45) 8 生产管理 (47) 8.1 厂址选择 (47) 8.2 产品生产 (48) 8.3 质量管理体系 (50) 8.4 产品包装与储存 (50) 8.5生产车间生产秩序管理制度 (50) 9财务分析 (52) 9.1投资分析 (52) 9.2财务分析 (53) 9.3财务假设 (55) 10公司管理体系 (66) 10.1公司性质 (66) 10.2组织结构 (66) 10.3部门职责 (67)
石墨烯在锂离子电池中的应用 碳材料因其具有独特的性质和优异的功能，被广泛应用于高温耐火材料，生物工程材料，核反应堆用结构材料，导电用炭材料，电极材料等高科技产业中的各个领域。碳元素的存在形式多种多样，有零维纳米结构富勒烯，一维碳纳米管，三维结构的金刚石、石墨，以及近几年发现的二维结构石墨烯。 图1 0维、1维、2维和3维碳结构示意图 2004年英国的两位科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从石墨中剥离出石墨片，然后通过特殊的胶带分离法制得仅由一层碳原子构成的薄片——石墨烯。它是一种新型二维碳质材料，具有超大的比表面积, 同时具有良好的导电性和导热性, 也是很有潜力的储能材料，因此成为物理、化学、材料领域的研究热点。石墨烯的出现在科学界掀起了巨
大的波澜，这种新材料的诞生最终使安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。 1 石墨烯的结构和性质 石墨烯是只有一个碳原子层厚度的石墨，具有理想的二维晶体结构，碳原子通过SP2杂化成键，与周围其他三个碳原子以C—C单键相连，同时每个碳原子剩有一个垂直于石墨烯平面的p电子，未成对的p电子在与平面垂直的方向形成π轨道，可以在石墨烯晶体结构中自由移动，从而使得石墨烯具有良好的导电性能。 图1.1 石墨烯结构示意图 但是，二维晶体在热学上不稳定，透射电镜观察及电子衍射分析表明单层石墨烯并不是完全平整的，而是呈现出本征的微观的不平整，在平面方向发生角度弯曲。扫描隧道显微镜观察表明纳米级别的褶皱出现在单层石墨烯表面及边缘。这种褶皱起伏变化可以导致静电的产生，从而使得石墨烯在宏观易于聚集，很难以单片层存在。
基于石墨烯的锂离子电池负极材料 研究进展 院系：材料科学系 专业：材料学 姓名：雷冰冰 学号：14210300023
基于石墨烯的锂离子电池负极材料研究进展 摘要：锂离子电池因其质量轻、能量密度大、安全的优点，广泛应用于便携式电子设备领域，逐步成为了应用最佳和最有发展前途的能源。为了进一步提高锂离子电池的能量密度、循环寿命，需要进一步开发新的负极材料。由于石墨烯具有优越的导电性、超高的比表面积和很好的机械强度等特点, 其在锂离子电池负极材料方面显示出潜在的应用前景[1]。本文综述了目前世界上对于基于石墨烯材料的锂离子电池负极材料的研究现状。并对现有研究存在的不足做出了评价和预测了未来的研究方向。 关键词：锂离子电池；负极材料；石墨烯 前言：相比其他可充二次电池，锂离子电池中具有高的比容量、相对低的自放电、长的循环寿命和小的环境污染等优点，被广泛应用于便携式电子设备中。近几年能源环境问题及世界各国发展电动车的需求，因此迫切需要开发更高能量密度(高比容量)、更高功率密度(高的倍率性能)和更长循环寿命(优越的循环性能)的锂离子电池。锂离子电池电化学性能的提高关键因素在于其正负极材料的提升。 目前，商业化的锂离子电池负极材料石墨具有理论比容量低(372 mAhg-1)和锂离子传输系数低(10-7~10-10cm2s-1)等缺点严重限制了锂离子电池性能的进一步提升。因此，开发设计高比容量、高倍率性能和优越循环性能的新型锂离子电池负极材料至关重要。新型纳米碳材料
-石墨烯具有优异的导电性、超高的比表面积和很好的机械强度等优点，被认为是最有潜力的锂离子电池负极材料[2]。是当前科学领域研究的热点。但是，石墨烯纳米片层之间由于范德华力作用容易发生堆积或团聚等问题，并且常用的化学合成法得到的石墨烯一般具有较多的残余含氧官能团；这些因素都会影响石墨烯作为负极材料的循环性能和倍率性能。因此，对石墨烯材料的结构改进、表面官能团改性以及运用掺杂、复合等手段来改进石墨烯作为锂离子电池负极材料的研究是当今的热点。本文就以上几个方面对最新的石墨烯基锂离子电池负极材料研究进展进行了综述，并对目前存在的问题和未来发展方向提出了自己的看法。 石墨烯基材料储锂性能： 1、原理解释：材料的性能是由其结构决定的。弄清楚性能背后的结构性原理对实验的可重复性意义重大，并对未来的继续研究具有重要的指导和预测作用。因此，机理解释方面的研究工作是非常重要的部分。Nasir[3]等人总结了前人有关石墨烯及其衍生材料在能量存储和转换方面的制备和应用，得出石墨烯复合材料的性能不仅依靠单独组分的性能，也与它们之间的相互作用有很大的关系；所以控制复合物中组分配比，密度，化学键的种类以及空间结构是很关键的。同时，该课题组也提出了一些建设性的看法，可以通过掺杂不同元素或者采用3D结构以防止石墨烯重新堆叠，露出石墨烯表面；可以通过改善晶体与石墨烯之间的物理化学作用提高石墨烯复合材料在使用中的稳
石墨烯锂硫电池 以《超快长循环寿命锂硫电池：基于石墨烯的三明治结构》为题，介绍了高容量、长循环寿命、低成本及环境友好的新型石墨烯锂硫(Li-S)电池开发，并取得重大突破。据介绍，新型石墨烯锂硫电池理论比能量为2567Wh/Kg而中科院金属所采用石墨烯集电体的轻质特点，使其构成的锂硫电池具有更高的能量密度。目前常用锂电池能量密度140Wh/Kg。也就是说，该电池的储电能力达到目前锂电池18倍以上，相当于将比亚迪E6电动汽车700KG电池，缩小约95%或35KG.根据早前的各方面消息，该电池的功率密度及充电时间均已解决，一次充电多在 6分钟以内，其循环次数及电池寿命高于目前锂电池的百倍。大众化车用动力电池即将投入使用阶段，据测算，使用该电池之电动汽车的使用成本，约相当于燃油汽车的20%。据2014年2月17日中科院金属所的最新消息，石墨烯锂硫电池研发再次取得重大突破。这种超级电池“组装方法与现有锂离子电池工艺兼容，具有进一步放大和产业化前景”。与目前用在小汽车上电池比较,其重量下降90%以上，一次充电不超过10分钟，巡航里程超过450公里，每公里成本下降4/5，电池寿命超过30年。该项研究以工业化生产的石墨烯为原料，通过连续工艺制备了石墨烯集流体和石墨烯复合隔膜，其组装方法还与现有的锂离子电池制造工艺可以兼容，因此具有进一步放大和产业化的前景，中科院金属所已经申请了三项专利。 锌锰电池以二氧化锰为正极，锌为负极，氯化铵水溶液为主电解液的原电池。俗称干电池。学术界中又称为勒克朗谢电池。用面粉、淀粉等使电解液成为凝胶，不流动，形成隔离层，或用棉、纸等加以分隔。锌锰电池的开始电压随使用的MnO2的种类、电解液的组成和pH值等的不同而异，一般在1.55～1.75V，公称电压为1.5V。最适宜的使用温度为15～30℃。锌锰电池是普通干电池的升级换代的高性能电池产品，有LR6(五号)和LR03(七号)两种产品电池。产品分普通型(含汞量60%)和微汞量(含汞量不大于25%)，现正在开展无汞型电池试制。性能和用途: 电池性能符合国家行业标准，与国外电池性能相当。由于能重负载，大电流放电，电容量大，低温性能和防漏性能好，性能价格比低(价为干电池2-3倍，大电流工作电能是6-8倍)等优点而广泛用于民用和工业。特别适用于闪光照相
2017春季学期 新能源材料--课程论文 院（系）材料科学与工程 专业材料科学与工程 学生曾波 学号1141900225 班号1419002
石墨烯电池应用与展望 曾波 材料科学与工程1141900225 摘要石墨烯作为近年来炙手可热的新材料，凭借其独特微纳米尺度的二维平面结构和良好的导电导热特性在锂离子电池电极材料中也有着可观的的应用前景。本文介绍了石墨烯电池的概念提出和工作原理，调研了市场最新的石墨烯电池信息和商用情况，分析了特点和潜在问题以及根据现状的合理展望。 关键词石墨烯锂离子电池能量密度石墨烯电极材料 1 引言 在现已有广泛应用基础的新能源材料中，锂电池作为二次电池中的佼佼者具有开路电压高"能量密度大"使用寿命长"无记忆效应"无污染以及自放电率小等优点。如图一所示，锂离子电池工作原理，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，正极主要是磷酸铁锂，钴镍锰酸锂（三元材料）等负极主要是碳棒和石墨。充电时Li+从正极脱出经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态,正极处于贫锂态,同时电子的补偿电荷从外电路供给到负极,保证负极的电荷平衡;放电时则相反。由于Li的原子序数很小,故Li+的质量很轻,单位重量的电极材料就可以储存较多的Li+,所以通常锂离子电池具有较高的能量密度。然而,受限于电极材料的结构与电解质的性能,锂离子电池的功率性能相对较弱,针对动力锂离子电池,这一点表现得尤为突出。故如何增加锂电池的功率密度是当务之急。 要攻破这一难关，需要制备具有高效储能特性的负极材料。碳材料的储锂机理复杂，因此尽管计算化学论证了石墨烯的高储锂容量，但目前制备的石墨烯的可逆容量接近甚至超过理论容量的储锂机理还需进一步分析证明。石墨烯电池是 指用石墨烯掺杂改性的复合材料替 代传统锂电池的电极材料，其他碳、 石墨材料比容量较小，每6个碳原子 与一个锂离子形成LiC6结构存储锂 离子，理论比容量为372mAh/g而石 墨烯是以单片层单原子厚度的碳原 子无序松散聚集形成，这种结构有利 于锂离子的插入，在片层双面都能储 存锂离子，理论容量明显提高。并且 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也将加快充 放电速度。石墨烯电池有望解决现在 锂电池不稳定、充电慢、容量低的难 题。 2 石墨烯电池介绍 2.1石墨烯 石墨烯是是由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，厚度仅为0.34纳米，单层厚度相当于头发丝直径的十五万分之一。是目前世界上已知的最轻薄、
LUOYANG NORMAL UNIVERSITY 2015届本科毕业论文 石墨烯在锂离子电池材料中的应用研究 院（系）名称化学化工学院 专业名称化学工程与工艺 学生姓名雷丙丽 学号110644058 指导教师刘丰讲师 完成时间2015年04月
石墨烯在锂离子电池材料中的应用研究 摘要：石墨烯是单原子层紧密堆积的一种特殊石墨材料，在电学、热学、力学等方面具有独特的构造和优良的功能，可以发挥其重要的作用。因为石墨烯具有较高的电导率、超大的比表面积、高的化学稳定性等优良的化学和物理特性，所以它在锂离子电池材料中的研究引起了人们的广泛关注。文章不仅综述了石墨烯的结构和制备工艺以及改性方法，而且介绍了石墨烯作为锂离子电池材料的最新研究进展，还分析了石墨烯各制备和改性方法对锂离子电池材料的影响，并对石墨烯在锂离子电池材料中应用的发展趋势进行了展望。 关键词：石墨烯；锂离子电池材料；电化学 The application of graphene in lithium-ion battery materials research Abstract：Graphene is a single atomic layer close packing of a kind of special graphite material, such as electrical, thermal and mechanical aspects has unique structure and excellent performance, can play its important role. Because of properties of high electrical conductivity, large surface area, and chemical stability, graphene holds great promising for potential applications in electrode materials for lithium-ion battery, it is in the lithium-ion battery materials research has attracted widespread attention. Article summarizes the modification of graphene and graphene is introduced as a new research progress of the lithium-ion battery materials, graphene is analyzed the influence of the preparation and applications of graphene in lithium-ion battery material development trend is prospected. Keywords：graphene; the modification of graphene; lithium—ion battery material 1 引言 近几年来，为了进一步实现可持续发展，锂离子电池受到人们的普遍关注，世界
石墨烯在锂离子电池中的应用 摘要:石墨烯是一种单原子层厚度的石墨材料，具有独特的二维结构和优异的电学、力学以及热学性能。同时它也是一种具有良好应用前景的锂离子电池电极材料。电极材料的微观结构对其性能有很大影响，利用石墨烯获得具有特殊形貌和微观结构的电极材料，能有效改善材料的各项电化学性能。本文综述了石墨烯在锂离子电池中的应用研究进展。 引言锂离子电池具有开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效应、无污染以及自放电率小等优点，成为近年来研究发展迅速的新一代二次电池之一。1983 年，首次建立起以金属锂为正极，碳/石墨材料为负极的锂离子电池体系。该电池由正极、负极和电解质组成。充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，通过电解质，插入负极电极材料中，放电时脱/嵌锂方向相反。碳/石墨材料是目前已经商业化使用的负极材料，其价格便宜、来源丰富、能提供低而平稳的工作电 结构存储压，性能稳定。但其比容量较小，每6 个碳原子与一个锂离子形成LiC 6 锂离子，理论比容量为372mAh/g。因此需要探索新型的负极材料以满足锂离子电池高比能量、高比功率的需求。 2004 年，英国曼彻斯特大学安德烈-海姆教授和他的同事们首次通过微机械力从高取向热解石墨上剥离出单片的石墨烯碳层。石墨烯因其具有特殊结构和性能，成为国际科学研究的热点，其中石墨烯在锂离子电池电极材料中的应用也得到了广泛关注。这种单层碳原子厚度的二维碳材料具有大理论比表面积 （2600m2/g)和蜂窝状空穴结构，因而有较高的储锂能力。此外，材料本身的高电子迁移率(15000cm2/(V·s))，突出的导热性能(3000W/(m·K))，良好的化学稳定性以及优异的力学性能(拉伸模量1.01TPa)，使其作为复合电极材料的基体更具有突出优势。 1 石墨烯的结构和性质 石墨烯是只有一个碳原子层厚度的石墨，具有理想的二维晶体结构，碳原子通过sp2杂化成键，与周围其他三个碳原子以C—C单键相连，同时每个碳原子剩有一个垂直于石墨烯平面的p电子，未成对的p电子在与平面垂直的方向形成π轨道，可以在石墨烯晶体结构中自由移动，从而使得石墨烯具有良好的导电性能。
第7卷第6期 413 中国科技论文CHINA SCIENCEPAPER 2012年6月 氮掺杂石墨烯作为锂离子电池负极材料 的电化学性能 高云雷，赵东林，白利忠，张霁明，孔 莹 （北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室，北京 100029） 摘 要：以天然石墨为原料，通过氧化、快速热膨胀和超声分散制备石墨烯。将氧化石墨与三聚氰胺在氮气下950 ℃反应合成氮掺杂石墨烯。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)以及红外光谱(FTIR)、X射线能谱(XPS)等测试方法对氮掺杂石墨烯的形貌、结构进行分析。结果表明，该方法合成了薄层状氮掺杂石墨烯。 采用恒流充放电和循环伏安法等手段测试氮掺杂石墨烯、石墨烯和天然石墨作为锂离子电池负极材料的电化学性能，比较研究了三者用作锂离子电池负极材料的电化学性能，结果表明氮掺杂石墨烯负极材料具有优异的电化学能和独特的储锂机制。 关键词：氮掺杂石墨烯；石墨烯；锂离子电池；负极材料；电化学性能 中图分类号：O613.71；O646文献标志码：A 文章编号：2095－2783(2012)06－0413－5 Electrochemical performance of nitrogen-doped graphene as anode material for lithium ion batteries Gao Yunlei，Zhao Donglin，Bai Lizhong，Zhang Jiming，Kong Ying (Key Laboratory of Carbon Fiber and Functional Polymers, Ministry of Education, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China) Abstract: Graphene sheets (GSs) have been prepared from natural flake graphite by oxidation, rapid expansion and ultrasonic treatment. Graphene oxide (GO) was further annealed at the presence of melamine at 950 ℃ and transferred into nitrogen-doped grapheme (N-GSs). The samples were characterized via scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Electrochemical performances of nitrogen-doped graphene, graphene and graphite as anode materials for lithium ion batteries were investigated using galvanostatic charge-discharge and cyclic voltammetry methods. It was found that the prepared N-GSs exhibited a relatively higher cycling stability and larger specific capacity compared with the pristine nature graphite and GSs. Cyclic voltammograms results indicate that the higher cycling stability may be associated with more structural defects during cycling. Key words: nitrogen-doped graphene；graphene；lithium ion batteries；anode material；electrochemical properties 收稿日期：2012-02-28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50672004)；国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2008AA03Z513) 作者简介：高云雷(1986－)，男，硕士研究生，主要研究方向：锂离子电池负极材料 通信联系人：赵东林，教授，主要研究方向：新型炭材料及其应用，dlzhao@https://www.doczj.com/doc/3011223837.html,
石墨烯电池的优缺点 石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。它的厚度大约为0.335nm，根据制备方式的不同而存在不同的起伏，通常在垂直方向的高度大约1nm左右，水平方向宽度大约10nm到25nm，是除金刚石以外所有碳晶体（零维富勒烯，一维碳纳米管，三维体向石墨）的基本结构单元。 石墨烯在能源领域的应用在这其中，石墨烯在能源领域的应用是最火热，也是最被看好的方向。从原理上讲，石墨烯作为一种优秀的二维导电材料，加入锂离子电池正极材料（磷酸铁锂等）中，即可以提高电极材料的导电性，又可以包裹正极纳米颗粒，是对现有炭黑+碳纳米管导电剂的升级换代。 加入石墨烯导电剂的锂电池，其倍率性能、一致性和寿命都有不同程度的提高（这是优点吧）。 此外，石墨烯还可以加入到新的负极材料（中间相炭微球等）中，提升电极材料的性能，也是一个未来发展的可能性。 这些应用虽然不是锂电池最核心的技术，对锂电池的容量和密度也没有较大的改善，但是可以提高电池组乃至新能源汽车的综合性能，是石墨烯应用领域技术成熟度比较高的方向。 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。 石墨烯电池的基本原理：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。
石墨烯基纳米复合材料用作锂离子电池负极的研究进展 王婧毅，张燕，叶云，梅毅，廉培超* （昆明理工大学化学工程学院，云南昆明 650500） 摘要锂离子电池是目前应用最为广泛的二次电池，但其能量密度仍无法满足人们的要求。锂离子电池的能量密度很大程度上取决于所用的电极材料，因此，探索性能优越的负极材料是锂离子电池研究的重要课题。本文综述了石墨烯基纳米复合材料作为锂离子电池负极的研究进展，分析了单一石墨烯、二元及三元石墨烯基纳米复合材料的结构对其储锂性能的影响，指出了未来的研究方向。 关键词锂离子电池，石墨烯，负极材料，复合材料，研究进展 The Research Progress of Graphene-based Nanocomposites as Anode Materials for Lithium Ion Batteries Abstract Although lithium ion battery is recognized as the most popular type in current market, it is still facing challenge: its energy density is not high enough to meet customers’ increasing demand. Thus, developing the anode material with more superior performance has been imperative. Here we write a review about graphene-based materials as anode materials for lithium ion batteries. This review discuses both the advantages and disadvantages of graphene, binary and ternary graphene-based nanocomposites, respectively. In addition, this review summarizes author’s views about the conception in future research. Key words lithium ion batteries, graphene, anode materials, composites, research progress 1 引言 锂离子电池诞生于1990年前后，1991年实现商品化，它具有能量密度大、输出功率大、充电效率高、可快速充放电等优点[1]，是目前应用最广泛的二次电池。但随着智能手机、笔记本电脑的普及，电动汽车的问世，人们对电
石墨烯 石墨烯之所以被广泛应用，是由其自身的内部结构决定的。 石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。 石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键，并有如下的特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成n键，新形成的n键呈半填满状态。研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3,每两个相邻碳原子间的键长为 1.42 X 10-10米，键与键之间的夹角为120。。除了c 键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大n键（与苯环类似）， 因而具有优良的导电和光学性能。 在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%-80%勺电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了优良导热特性。 超级电池采用单原子厚度的碳层构成，这项技术能够在最短时间内对手机和汽车快速充电，能够很容易制造并整合成为器件，未来有望制造更小的手机。 石墨烯储能和放电过程中不发生电池反应，只是将电子储存和释放，是物理变化。由此，应当称其为电容，而不是电池。目前，石墨烯应用于电池上的研究基本上有3个方向： 一是以石墨烯形成全新体系电池。就是说以石墨烯制造一个全新体系的电池，在性能上是颠覆性的，称作“超级电池”。使用这种材料制作的电池，能量密度超过600wh/kg，是目前动力锂电池的5倍，一次充电时间只需8分钟，可行驶1000公里；电池重量只有锂离子电池的一半，体积也会大幅缩小，减轻使用该电池汽车的自身重量；电池的使用寿命更长，是传统氢化电池的4倍，锂电池的2倍；其成本将比目前锂电池降低77%这些物理参数都符合超级电池的要求。 二是以石墨烯强化现有电池性能。将石墨烯运用到现有电池上，改进提升锂电
石墨烯作为一种新型纳米材料，以其特殊的二维单层延伸碳结构、出色的导电性、导热性、 韧性及强度等优异性能，在功能材料、能源等多个领域有着广泛的应用前景。其中石墨烯在 锂离子电池电极材料的优化改进方面受到了人们的重视，将石墨烯材料用作电极材料或与其 他材料的复合能够在一定程度上发挥优势，对电池性能的提升有一定的效果。 导读 锂离子电池具有能量密度高、可逆容量大、开路电压大、使用寿命长等特点。在对锂离 子电池电极材料的研究过程中，一些碳元素的同素异形体及混合物可以作为导电性能优良的 稳定材料，常被用于开发新型锂离子电池负极材料的研究。 石墨烯由于其质量轻、导电性好、韧性高等优势成为材料研究层面的一大突破。2004 年Geim等人首次通过机械剥离法制得单层石墨烯并发现了其特殊的电学、力学性质其在锂 离子电池电极材料的应用也引起了人们的重视。 本文首先对石墨烯结构与性能、制备等方面进行介绍再对其在锂离子电池正极材料、 负极材料等方面的应用简要总结分析其优势与特点以对设计石墨烯材料锂离子电池提供依据。石墨烯概述石墨烯是一种由碳原子组成的六角形呈蜂巢晶格的平面二维结构纳米材料其 C-C键长为0.141nm理论密度约为0.77mg/m2厚度仅为一个碳原子的直径大小。碳原子以 sp2的方式参与杂化电子可以在层层之间顺利传导故石墨烯导电性极好是目前已知电阻率最 小的材料这也是石墨烯在电池发展前景广阔的原因之一。 石墨烯材料具有出色的导热性其单层材料理论室温热传导率可达3000-5000W/(m*K)这一性质可用于研究电池工作时的热量耗散问题。其力学性质优异是一种韧性和强度极好的材料 可用于开发研究柔性电极材料。此外石墨烯的高比表面积和高透光度也具有很高的研究价值。石墨烯在锂离子电池中的应用 基于石墨烯的各项特殊理化性质石墨烯在电极材料研究领域开发潜力巨大。按照应用领 域的不同石墨烯材料在锂离子电池中的应用大体可分为三类:石墨烯在正极材料中的应用、在 负极材料中的应用和在锂离子电池中的其他应用。 1、石墨烯在正极材料中的应用 对于锂离子电池可应用的正极材料应当满足可逆容量大、电位高且稳定、无毒害、制作 成本低等特点。目前较为常见的锂离子电池正极材料多为磷酸铁锂材料但LiFePO4的电导率差、锂离子迁移率较低。若将LiFePO4材料与石墨烯复合理论上可以改善其导电能力提高倍 率性能。 由于石墨烯材料的特殊性在正极方面对石墨烯材料的研究相对较少。研究表明用水 热法将石墨烯直接覆盖在LiFePO4表面上制成复合材料的倍率性能提升效果并不理想其原因 可能是石墨烯材料结构的堆叠或破坏。 研究发现石墨烯将LiFePO4半包裹后形成的材料可以提高LiFePO4材料的导电性能 但将其全包裹后离子传输效率下降并推测可能是因为锂离子无法通过石墨烯的六元环结构。 有研究人员将LiFePO4纳米颗粒与氧化石墨进行超声混合制得了微观结构更加工整的
石墨烯在锂电池中的应用墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率（15000cm2/V?s)，导电性能优越，尤其适用与制造锂电池导电添加剂、锂电池正负极复合材料等锂电池材料。此外，石墨烯电极复合材料及导电添加剂能有效改善电极循环性能：加入石墨烯的磷酸铁锂正极复合材料，循环100周后，可逆比容量为纯LiPO4电极的1.4倍。 石墨烯在电池中的应用 1.作为导电剂 锂离子电池充放电是通过锂离子在正负极的脱嵌反应来实现的。具体表现为，充电时正极锂离子脱插，负极锂离子嵌入；放电时正极锂离子嵌入，负极锂离子脱插。在这个过程中，嵌入与脱插的锂离子越多，电池容量越大。其充放电速度主要由锂离子在电极中的传输和脱嵌速度来决定。所以如果电极材料中电子和锂离子传导通道越多，其充电速度就越快。 传统锂离子电池无法进行快速充电，主要受限于锂电池正负极导电性能不足，无法同电子进行充分反应，反应层集
中在表面影响内部电极的反应，导致锂离子短时间内脱嵌速度不足，无法形成大电流，间接影响锂离子扩散系数，同时受限于高倍率充电下电池寿命的衰减。而且传统电池在工作时会在电极表面形成一层固体电解质膜，阻挡了锂离子的“脚步”，进而减慢了锂离子的运输速度。 锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、三元和磷酸铁锂等。石墨烯在正极材料中属于面点接触，具有优异的导电性能，可以作为其电极的导电剂，优异于作为点点接触的常规导电剂。 锂电池有个性能叫做倍率性能，用C来衡量。假设一块锂电池的容量是3000mAh，那么1C就是用3000mA的电流给它充电，一小时充满；2C就是用6000mA的电流充电，半小时充满。续航与电量正相关的情况下，充到支持相同续航里程的电量，倍率性能大的电池充电时间更短。