石墨烯在锂离子电池电极材料中的应用

大喜888LAIYUAN:NAMIYANGHUALV_GUANGXIXINXINGNAMIKEJIYANJIUGONGSI FABUSHIJIAN:2019-01-11 DIANJICISHU:

与其他类型的二次电池相比,锂离子电池具有能量密度高、电压高、无记忆效应、自放电率低的优点。它们广泛应用于日常电子产品(如手机、笔记本电脑、相机、视频游戏)、电动汽车(EV/PHEV/HEV)和储能电站,随着锂离子电池在军事和航天领域的应用越来越多,对锂离子电池的环境适应性和安全性提出了更高的要求。ES已经提出。
    
     近年来,石墨烯以其优异的性能引起了人们的广泛关注,它是由单层碳原子六角键合而成的一种理想的二维晶体,其中每一个碳原子通过一个键与一个sp 2杂化轨道上的三个相邻碳原子相连,使石墨烯骨架具有E结构稳定性好,另外,上述碳原子的其他p电子轨道垂直于石墨烯平面,与周围原子形成超大的离域π键。π电子在晶格中的离域使石墨烯具有良好的载流子导电性和传热性能,导热系数约为5000W((m.k)-1,锂离子迁移率为10-7-10-6s.cm-1。
    
     因此,石墨烯被认为是锂离子电池理想的电极材料(或辅助材料),石墨烯的使用不仅可以提高锂离子电池的电化学性能,而且可以提高电极材料甚至整个电池的热导率,目前有很多关于石墨烯的报道。用石墨烯改善锂离子电池负极材料(主要是磷酸铁锂、Lifepo4)和负极材料的电化学性能。一些研究成果逐步实现了工业应用。
    
     简要介绍了石墨烯在锂离子电池正负极材料中的应用,分析了石墨烯在锂离子电池中应用面临的主要问题。
    
     近年来,石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用得到了广泛的研究,如橄榄石型磷酸铁锂(Lifepo4)负极材料具有原料丰富、价格低廉、环境友好、比容高、循环稳定、离子迁移率低等优点。电子导电性在一定程度上限制了它们的广泛应用,因此,王、张等。水热法制备Lifepo4/石墨烯复合材料。研究发现,Lifepo4能粘附在石墨烯表面。通过X射线衍射、扫描电镜和电化学阻抗谱等测试表明,石墨烯的引入不仅提高了材料的导电性,而且减小了锂离子的粒径,提高了锂离子的扩散速率。
    
     崔等。研究发现,在50℃和100℃的高电流密度下,由LiMnl-xFexPo4纳米棒和石墨烯组成的LiMnl-xFexPo4/石墨烯复合材料的比容量分别达到107和65mAh.g-1。
    
     在我们小组之前的研究工作中,我们发现石墨烯/聚苯胺经化学改性后的LifePO4-Fe-SEM形貌和电化学性能数据如图1所示。石墨烯和导电聚合物聚苯胺在氧化还原作用下能有效、均匀地粘附在Lifepo4表面。合成了三维网络结构的Lifepo4/石墨烯/PANI纳米复合材料,并将其组装成电极,结果表明,即使在20℃和25℃的高充放电电流密度下,半电池的可逆比容量也分别达到80 mAh g 1和72 mAh g 1。在2c电流密度下,比容没有明显下降。
    
     此外,还研究了石墨烯对锂钴氧化物(LiCOO 2)和锂锰酸盐(LiMnO 4)阴极材料电化学性能的改善,发现通过表面起皱,石墨烯能有效地包裹在LiCOO 2粒子表面,形成表面接触导电界面,这是锂钴氧化物(LiCOO 2)和锂锰酸盐(LiMnO 4)阴极材料电化学性能的第二步。为了提高LiCOO 2的电化学活性、放电比容量和高倍率循环性能,20C下LiCOO 2/石墨烯的放电容量为132.1 mAh g 1,与LimN2O4复配后,石墨烯不仅提高了LimN2O4 A的离子和电子导电性,而且有效地提高了LimN2O4 A的循环稳定性。s电极材料。
    
     方等。研究了以氧化石墨烯为阴极材料的LiNi0.5mn1.5O4锂离子电池。该复合材料具有良好的循环寿命和速率性能。
    
     与传统锂离子电池正极材料相比,石墨烯能有效地提高相应电池的比容量,增强电极与电解质之间的导电接触,提高其充放电速率性能,同时石墨烯柔性单原子的二维结构MIC层还可以有效抑制电极材料在充放电过程中体积变化引起的材料膨胀和粉末化,从而提高电池的循环稳定性,此外,化学氧化插层剥离还原法合成的化学还原石墨烯的表面可以有效地抑制电极材料在充放电过程中体积变化引起的材料膨胀和粉末化。Tains特定的氧化基团,如羧基、羟基和环氧基,可以为其结构和表面功能改性,以及三维结构石墨烯基复合材料的复合设计和合成提供丰富的反应和结合位点。能量的途径。
    
     实验结果表明,在低充放电电流密度(0.05~0.1a g 1)下,纯石墨烯锂离子电池正极的比容量可达1264 mAh g 1,远高于目前商用石墨基阳极(372 mAh g 1),但在高充放电电流条件下,纯石墨烯锂离子电池正极的比容量可达1264 mAh g 1。比容量急剧下降,循环稳定性也较差,主要原因是纯石墨烯作为锂离子电池的负极时,由于石墨烯片之间具有很强的pi-pi叠加,使石墨烯凝聚成与石墨相似的层状结构,影响了插层的形成。同时证明纯石墨烯并不是锂离子电池理想的电极材料。
    
     因此,近年来石墨烯基纳米复合材料如石墨烯/碳纳米管、石墨烯/碳60(C60)、石墨烯/无机纳米粒子等在锂离子电池正极材料的研究中得到了广泛的应用,纳米粒子与石墨烯的有效结合可以有效地防止锂离子电池正极材料的重叠/团聚现象。石墨烯片,有利于锂离子的插层和去除。
    
     同时,二维层状石墨烯与纳米颗粒的复合能产生大量的孔/腔结构,减轻/减少锂离子插层过程中电极材料的体积膨胀和收缩,从而提高电池板的循环性能和结构稳定性。研究结果还表明,石墨烯基纳米复合锂离子电池阳极具有较高的比容量和比速率特性。
    
     然而,从材料科学的角度来看,当碳纳米管、C60和无机纳米粒子作为锂离子电池的电极材料时,其循环稳定性、速率特性和大规模制备技术和成本有待进一步提高。
    
     (1)大规模可控制备优质石墨烯,经过多年的研究和探索,以烃类为原料,以镍、铜单晶为定向基质,成功开发出高取向热解石墨的微观机械剥离和化学气相沉积(CVD)。但是,这些方法/技术存在产量低、成本高的缺点,难以满足工业化和大规模生产的要求,也不能满足锂生产的要求,对离子电池电极的巨大需求。
    
     石墨经氧化插层、剥离、还原等方法可大量制备石墨烯,但由于石墨烯氧化插层过程中强酸和氧化物质的广泛应用,石墨烯表面不仅引入了大量的含氧基团,而且还引入了ALS。o石墨烯的共轭结构受到很大程度的破坏。氧化石墨烯的导电率很低,这将直接影响石墨烯的某些固有性质及其应用。
    
     (2)石墨烯与电极材料活性材料的有效复合是一个问题。由于石墨烯的化学惰性,石墨烯与电极材料活性材料的复合材料大多是弱物理相互作用,复合材料的结构稳定性差,严重影响其实际应用。
    
     石墨烯比表面积大,机械性能好,导电性好,化学稳定性高,可解决锂离子电池有效比容量低,倍率性能差(大电流充放电),循环寿命短,安全性能差等问题。在条件下。
    
     首先,对石墨烯进行宏观制备,制备出质量优良的单分散石墨烯,以满足锂离子电池的数量、质量和价格要求。
    
     通过以上研究,为充分发挥石墨烯独特的材料特性,进一步研究和制造具有实际应用价值的石墨烯基功率锂离子电池奠定了基础。
    
    


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