石墨烯基锂离子电池

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硅基锂离子电池负极材料

硅是目前已知比容量（4200mAh/g）最高的锂离子电池负极材料，但由于其巨大的体积效应（>300%），硅电极材料在充放电过程中会粉化而从集流体上剥落，使得活性物质与活性物质、活性物质与集流体之间失去电接触，同时不断形成新的固相电解质层SEI，最终导致电化学性能的恶化。近年来，研究者们做了大量的研究和探索，尝试解决这些问题并取得了一定的成效，下面就由小编带着大家看看这一领域的研究进展，并提出进一步的研究方向和应用前景。

硅的脱嵌锂机理和容量衰减机制

硅不具有石墨基材料的层状结构，其储锂机制和其他金属一样，是通过与锂离子的合金化和去合金化进行的，其充放电电极反应可以写作下式：

Si+xLi++xe-

LiXSi

图1硅基锂离子电池原理图：（a）充电；（b）放电 - 2 -

在与锂离子发生合金与去合金化过程中，硅的结构会经历一系列的变化，而硅锂合金的结构转变和稳定性直接关系到电子的输送。

根据硅的脱嵌锂机理，我们可以把硅的容量衰减机制归纳如下：（1）在首次放电过程中，随着电压的下降，首先形成嵌锂硅与未嵌锂晶态硅两相共存的核壳结构。随着嵌锂深度的增加，锂离子与内部晶体硅反应生成硅锂合金，最终以Li15Si4的合金形式存在。这一过程中相比于原始状态硅体积变大约3倍，巨大的体积效应导致硅电极的结构破坏，活性物质与集流体'活性物质与活性物质之间失去电接触，锂离子的脱嵌过程不能顺利进行，造成巨大的不可逆容量。（2）巨大的体积效应还会影响到SEI的形成，随着脱嵌锂过程的进行，硅表面的SEI会随着体积膨胀而破裂再形成，使得SEI越来越厚。由于SEI的形成会消耗锂离子，因而造成了较大的不可逆容量。同时SEI较差的导电性还会使得电极的阻抗随着充放电过程不断增大，阻碍集流体与活性物质的电接触，增加了锂离子的扩散距离，阻碍锂离子的顺利脱嵌，造成容量的快速衰减。同时较厚的SEI还会造成较大的机械应力，对电极结构造成进一步破坏。（3）不稳定的SEI层还会使得硅及硅锂合金与电解液直接接触而损耗，造成容量损失。

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镉镍电池

镉镍电池是1901年由瑞典人发明的，至今已有近百年的历史，作为能源系统，为人类的文明发展作出了不可磨灭的贡献。镉镍电池的发展经历了如下几个阶段：第一阶段是用作牵引、启动、照明及信号电源的袋式电池。第二阶段式五十年代开始的烧结电池，用于大电流放电和和各种引擎的起动，包括坦克、飞机、火车等。第三阶段是六十年代开始的密封电池，例如人造卫星能源系统是采用太阳能电池和密封镉镍电池相匹配，共同使用。第四阶段是九十年代的泡沫镍电极技术的应用，使电池的容量大大提高，生产工艺简化，成本降低，使镉镍电池进入一个新的发展时代。由于镉镍电池经历了百年的发展，其品种规格繁多，用途不一。价格也相差较大。为使用户选到合适的电池，下面介绍镉镍电池的分类和各类电池的主要用途。

一 镉镍电池分类和用途

1按电池的外形分为：方形（F）、圆柱型（Y）、扣式（B）。用户可以根据自己的用电设备和为电池预留位置选用不同形状的电池。

2按电池的封口结构分为：开口式电池、液密式电池和气密式电池。开口式电池主要是方形电池，一般是用在位置固定的环境中，该类电池需要定期补加电解液或蒸馏水；液密式电池可在任意位置工作，不向外释放电解液，但会在过充电或其他特殊环境情况造成内部压力增大，并向外释放气体，以保护电池的安全；气密式电池既不向外释放电解液，也不向外释放气体。但造价昂贵，只有在特殊的情况下使用。如卫星的能源系统。

3按输出功率分为：超高（C）倍率电池、高（G）倍率电池和中（Z）、低倍率电池。超高倍率、高倍率电池能快速充电，可用于启动电器，即大电流短时间放电，但价格较高；而中、低倍率电池的快速充电性能不如前者，适应于功率较小，长时间工作的用电设备，价格较低。

4按电池的内部结构和极片制造方法分为：袋式电池、烧结式电池（包括箔式和板式）、粘结式电池及泡沫式电池。由于镉镍蓄电池的内部结构和生产工艺不同，其性能差异也较大，用途也不同。内部结构区别在电机制造工艺上，由此而决定了电池的性能和寿命。下面做简要介绍，以达到经济、合理选用。

石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用研究进展

结合当前利用石墨烯材料特殊二维结构、优良物理化学特性来改善锂离子电池较低能量密度、较差循环性能等缺陷的研究热点，综述石墨烯材料及石墨烯复合材料在锂离子电池负极材料中的应用研究进展，指出现有电极材料的缺陷和不足，讨论作为锂离子电池电极的石墨烯复合材料结构与功能调控的重要性，并简要评述石墨烯在相关领域中所面临的挑战和发展前景。

标签：石墨烯;锂离子电池;负极材料

石墨烯是一种结构独特并且性能优异的新型材料，它是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层二维蜂窝状结构，被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元[1，2]。由于石墨烯具有高导电性、高导热性、高比表面积、高强度和刚度等诸多优良特性，在储能、光电器件、化学催化等诸多领域获得了广泛的应用，特别是在未来实现基于石墨烯材料的高能量密度、高功率密度应用有着非常重要的理论和工程价值。

理想的石墨烯是真正的表面性固体，其所有碳原子均暴露在表面，具有用作锂离子电池负极材料的独特优势：（1）石墨烯具有超大的比表面积，比表面积的增大可以降低电池极化，减少电池因极化造成的能量损失。（2）石墨烯具有优良的导电和导热特性，即本身已具有了良好的电子传输通道，而良好的导热性确保了其在使用中的稳定性。（3）在聚集形成的宏观电极材料中，石墨烯片层的尺度在微纳米量级，远小于体相石墨的，这使得Li+在石墨烯片层之间的扩散路径较短;而且片层间距也大于结晶性良好的石墨，更有利于Li+的扩散传输。因此，石墨烯基电极材料同时具有良好的电子传输通道和离子传输通道，非常有利于锂离子电池功率性能的提高。

1 石墨烯直接作为锂离子电池负极材料

商业化锂离子电池石墨负极的理论容量为372 mAh/g。为实现锂离子电池的高功率密度和高能量密度，提高锂离子电池负极材料的容量是一个关键性问题。无序或比表面积高的热还原石墨烯材料具有大量的微孔缺陷，能够提高可逆储锂容量。因此，相对石墨材料，石墨烯的储锂优点有：（1）高比容量：锂离子在石墨烯中具有非化学计量比的嵌入?脱嵌，比容量可达到700～2000 mAh/g，远超过石墨材料的理论比容量372 mAh/g（LiC6）;（2）高充放电速率：多层石墨烯材料的面内结构与石墨的相同，但其层间距离要明显大于石墨的层间距，因而更有利于锂离子的快速嵌入和脱嵌。

石墨烯电池原理

石墨烯电池是一种利用石墨烯材料作为电极的新型电池。石墨烯是由碳原子排列成的一个单层二维材料，具有优异的导电性和电化学性能。石墨烯电池的工作原理基于石墨烯的高导电性和电化学活性。

石墨烯电池主要包括正极、负极和电解液三部分。正极通常采用石墨烯材料，负极常使用锂金属。在充放电过程中，锂离子在正极和负极之间完成迁移，实现电池的储能功能。

在充电过程中，锂离子从负极通过电解液迁移到正极。石墨烯材料的高电导率，使得锂离子易于在正极部分嵌入或脱嵌。这样，正极中的锂离子数量增加，形成锂离子嵌入的石墨烯结构，实现电池的充电。

在放电过程中，锂离子从正极释放出来，并通过电解液迁移到负极。这样，正极中的锂离子减少，石墨烯结构逐渐解离，实现电池的放电。

石墨烯电池相较于传统电池具有许多优势。首先，石墨烯的高电导率提高了电池的充放电速率和能量密度。其次，石墨烯材料对锂离子有良好的嵌入和脱嵌能力，使得电池具有较长的循环寿命。此外，石墨烯还具有较高的化学稳定性和热稳定性，能够在极端环境下工作。

尽管石墨烯电池具有很好的性能，但仍面临一些挑战。例如，石墨烯材料的制备成本较高，且制备工艺相对复杂。此外，石墨烯材料的稳定性和可靠性还需要进一步研究和改进。

总之，石墨烯电池通过利用石墨烯材料的优异性能实现了高性能储能，具有广阔的应用前景。随着石墨烯技术的不断发展，石墨烯电池有望成为未来能量储存领域的重要技术。