石墨烯鋰離子電池研究進展概述

張振宇，鄭茹月，謝珊，唐佳其，許定達

石墨烯鋰離子電池研究進展概述

張振宇，鄭茹月，謝珊，唐佳其，許定達

（內江師范學院 化學化工學院，四川 內江 641100）

隨著人們的日常生活水平不斷提高，資源的消耗量也在逐步的增多，由此產生的環境問題也在潛移默化中衍生，而石墨烯作為一種性價比極高且各方面性能均優異的材料，特別是在鋰離子電池的研發工作中可以充分發揮它的巨大作用，同時新能源設備的開發能解決由于原本的能源消耗所產生的一系列問題。對石墨烯在鋰離子電池中的應用進行了綜述，分別從石墨烯、鋰離子電池以及其在具體的生產生活中的應用進行了介紹并對未來以及發展前景進行展望。

石墨烯；鋰離子電池；新型復合材料；科研應用

隨著近年來鋰離子電池科研方向的深度進行，作為良好導體的石墨烯也得到了極大的關注以及研究，石墨烯由于其優異的碳結構以及穩定的導電性在各種電動器械以及便攜式移動通訊工具中具有極高的應用率。同時相較于同類型導體的硅和碳納米管，石墨烯擁有極強的導熱性和極高的強度，其在鋰離子電池中的應用與開發也收到了更大的關注，現階段隨著大眾對環境友好型新能源的需求，著手研發性能更加穩定、安全系數更高的新型石墨烯鋰離子電池是一個極佳的研究方向。

1 石墨烯鋰離子電池研究進展

1.1 石墨烯概述

石墨烯是一種具有良好導電導熱性的柔性超薄結構物質，它在鋰離子電池導電劑中屬于一種非常理想的負極導電材料，同時其奇特的物理及化學性質也備受人們的關注，在目前新能源電池研究處于火熱階段的時期，石墨烯也深受科研人員的研究與開發。

早在2019年王藝璇[1]等人就石墨烯作為鋰離子電池負極材料進行了相關研究，他們進行了多孔硅石墨烯制備實驗，并且通過分析表征以及電化學性能測試，在得出圖像后再通過物相分析以及電化學性能分析得出了不同含量石墨烯在制備多孔硅粉材料中所展現的導電性能的差異。

王振廷[2]等就石墨烯的制備以及石墨烯作為鋰離子電池導電劑方向上進行了深度研究，與前輩們不同，他們首先分別制備了石墨烯以及鋰離子電池，緊隨其后便對他們進行了形貌表征以及電池性能測試，為了使結果更加形象且有對比性，分別用XDR以及AFM進行表征，并通過具體數據圖像分析首次充放電性能、循環穩定性、交流阻抗譜以及倍率性能，得出了多孔結構能有效降低體積膨脹率的結論，為后續石墨烯相關研究打好了基礎。

趙艷紅[3]等則與前面所提及的王藝璇所做的研究相反，他的課題組則是圍繞將石墨烯作為鋰離子電池正極導電劑進行了相關研究，他們首先根據不同規格石墨烯制作電池并進行性能測試，并對相關樣品的石墨烯分散效果分析，在電池電化學性能分析階段，先后進行了低溫放電測試和倍率放電測試，通過得出的折線圖及曲線圖發現規律從而取得不錯的社會效益。

2021年夏童[4]及其課題組研究了磷酸鐵鋰以及小尺寸石墨烯做電池陰極材料，首先制備了電池以及氧化石墨烯復合材料，然后通過XDR以及形貌進行表征，最后通過循環伏安曲線，交流抗阻分析以及循環性能分析等電化學性能測試得出了SGO的引用能提高電導效率同時提高離子轉移速率，從而達到提升性能的效果。

去年底，米盼盼[5]等對碳摻雜石墨烯錨定三氧化二鐵用作鋰離子電池高性能負極材料進行了相關研究，他們同樣是在制備氧化石墨以及碳摻雜石墨烯復合材料之后，對材料進行了表征，然后再進行電池負極片制作以及紐扣電池的組裝與測試，最后對樣品進行XDR、SEM、TEM、XPS分析, 對比分析得出的折線圖發現碳摻雜石墨烯能能顯著提升三氧化二鐵的性能，在不同電流密度下測試，發現其循環穩定性也更為優異,這也為后續的石墨烯研究奠定了基礎。

石墨烯是世界上現階段已發現的材料中強度最高的一種，相比現目前較為常見的高強度鋼鐵也是處于上風，同時經過科學家的大量實驗發現其在自旋電子材料方面也能有著很好的運用，產生這種現象的主要原因大部分也是因為碳原子的核磁矩已經小到可以忽略的地步，初此之外石墨烯在飽和吸收性以及機械性方面的優勢也得到了多數科研人員的認可，其在能源領域、光學領域以及生物醫學領域也擁有著極大的用武之地。

1.2 鋰離子電池研究進展

鋰離子電池是一種能量密度較高同時擁有高電壓的輕巧二次電池，在目前全球尋求新能源的大的時代背景下，其在便攜式通訊設備以及新型交通工具，其工作電壓高、循環壽命長、安全性能好以及充電快速的特點使得其備受各大產業的青睞，由于其現狀還屬于不太成熟的階段，因此還存在著回收率以及衰老率等情況，現階段鋰離子電池的研發也處于備受科研人員的關注。

在2019年，肖恩[6]及其團隊成員就鋰離子電池的電化學性能進行了相關研究，在整個研究階段中，他們首先進行了復合材料的制備，緊接著就對材料進行了表征，通過多幅具體的表征結果圖像，進行對比分析發現復合材料中的碳以及硅的分離會使得電化學性能降低，此外通過材料的電化學結果測試分析得出的具體圖像以及散點圖并結合所查表格數據得出高能球磨時間對其電化學性能影響極大。

次年方稱輝[7]等就鋰離子電池多孔硅的制備及性能進行了研究，相比其他人，他們在材料制備過后首先進行了物理表征，然后才進行了電化學性能表征，通過得出的XDR曲線以及其他電化學曲線發現將石墨烯與多孔硅相符合可以抑制體積相對膨脹同時增加導電性，這位鋰離子電池的生產起到了促進作用。

孫鵬[8]等將磷化鎳作為負極材料并研究了相應的鋰離子電池電化學性能，他們在實驗過程中運用了更為精密的儀器制備了納米復合材料然后進行了復雜的電池組裝以及樣品測試，并對其分別進行XRD、SEM、BET、電化學性能分析以及拉曼分析，通過方能西交流阻抗譜圖發現氧化石墨烯的加入可以防止粒子團聚同時緩解反應過程中產生的體積效應。

2021年錢晨亮[9]等對二氧化硅還原石墨烯并作為鋰離子電池電池負極材料進行了相關研究，在制備完成樣品過后，使用X-射線衍射儀表征樣品，樣品在高溫預處理后在測定相應的含量，他們簡化了前輩的實驗測試方法，在電化學測試后僅進行了電化學性能表征和結構表征，在得出的散點圖中通過更多的公式來進行擴散系數的計算，也在多次計算結果對比過后發現衍生形成的無定形碳層可以使得離子得到更多的擴散，電容量也可以達到更高。

吳啟超[10]及其課題組為解決鋰離子電池在充放電過程中會出現的體積膨脹情況，在近期研究了碳網封裝石墨烯作為鋰離子電池負極材料所展現的特性，在合成路線、工作電極制備以及測試方法上均選用了更為復雜的方法，在數據處理以及結果分析上也是將物理與電化學分析相結合，在多種儀器產生的對比圖中可以明顯觀察到升高溫度比如使用水熱法或者選擇高溫碳化的方法可以使得鋰離子電池的循環更為穩定，這為鋰離子電池的研制產生了良好的影響效應。

1.3 鋰離子電池應用現狀分析

石墨烯鋰離子電池因其優異的循環性能以及高容量低密度的特點使得其在各大行業中都有廣泛的運用，小到數碼相機、剃須刀以及電子手表等，大到電動汽車、智能機器人甚至航天航空等都有著些巨大的運用。各大生產制造廠商以及各個科研團隊都在致力于開發和完善鋰離子電池，并不斷從各個方面對其進行優化和創新。

2020年董麗坤[11]針對石墨烯負載納米二硫化鈷在鋰離子電池方面的應用，在材料準備過程中先制備氧化石墨烯，然后將納米級而氯化鈷與之混合以便制備復合材料，然后在電池組裝過后便進行測試與表征,將測試所得結果再進行物相分析和形貌分析，其后又進行了電容量測試、循環性能測試以及倍率性能測試，從中得出納米復合材料的運用會提高電子的傳導效率，從而使得鋰離子電池的循環性能到達更好的效果。

現階段，由于電動汽車的不斷出現，田曉鴻[12]根據石墨烯在電動汽車鋰離子電池的負極材料中的運用進行了相關的研究。在理論上來說石墨烯作為負極材料能更好避免與電解液發生反應的情況發生，同時其電池容量高且輸電穩定能更好的保證電動汽車的持續供能。在制備階段除了非氧化插層以及剪切剝離等還使用了不同的轉速進行離心處理使得結果更有說服力。在石墨烯復合材料制備后也在不同的電壓下進行了性能測試，經過多次實驗發現5％石墨烯量的復合材料更加適合新能源汽車的驅動，這也充分未未來的新能源汽車研制與開發起到了巨大的推動作用。

2021年尹香檳[13]以及其科研團隊就過渡金屬氧化物在鋰離子電池中的應用進行了實驗研究，過渡金屬氧化物比傳統的石墨烯更適合現在的社會需求，屬于典型的環境友好型材料，制作難度較易且成本不高，分別通過四種不同的模型結構進行分析與測試，同時為滿足人們日益增長的生活需求，在模型構建上也采用了三種模型對比的構建方式，最后發現過渡金屬氧化物在電池負極材料中的應用有著巨大的研究前景，這未之后的科研方向提供明確的方向。

由于目前電子元器件的使用以及消耗量巨大，整體發展也非常迅速，李泓[14-20]在之謎石墨烯雙層碳在鋰離子電池負極實用化上進行了深度研究，其根據電池在工作過程中電極材料的密度以及體積發生的變化進行了具體的對比與思考，同時在電極接觸界面也通過實驗研究來不斷發掘損耗更低，實用性更高的材料用以替換，并通過結合前輩楊全紅等的研究成果中發現了一種較為理想的“金剛不壞”外部抗壓大，內部緩沖效果好的結構即這種連續的石墨烯網，這為電極的磨損起到了巨大的幫助，也為我們的生產生活起到了巨大的幫助。

2 結論及展望

在如今嚴苛的環境局勢下，石墨烯作為一種導電性、導熱性以及機械強度均極佳的材料，我相信，在未來的研發過程中可以使得鋰離子電池達到前所未有的高度，作為電池的負極導體材料極佳選擇之一，讓國內的新能源汽車層次達到更高的水準，極大緩解原本汽車造成的環境問題，以及資源問題，再通過不斷創新研發，使原本的能源消耗以及循環穩定都不斷提升，逐步向世界一流水平看齊，在未來的研制中石墨烯與各種優質材料復合形成的新型材料定會為祖國的科技實力更上一個層次。

[1]王藝璇,高波,劉澤昆,等.多孔硅/石墨烯鋰離子電池負極材料的制備及其電化學性能研究[J].功能材料,2019,50(12):12074-12079.

[2]王振廷,王彥霞,張永柯.石墨烯制備及作為鋰離子電池導電劑的研究[J].電源技術,2020,44(06):808-811.

[3]趙艷紅,吳濤,戰祥連,等.石墨烯作為鋰離子電池正極導電劑的研究[J].電源技術,2020,44(07):945-947.

[4]夏童,李剛,徐世偉,等.磷酸鐵鋰/小尺寸石墨烯復合鋰離子電池陰極材料的制備及儲能特性[J].微納電子技術,2021,58(05):386-391.

[5]米盼盼,郭明鋼,代巖,等.氮摻雜石墨烯錨定Fe2O3用作鋰離子電池高性能負極材料的研究[J].現代化工,2021,41(11):138-142.

[6]肖思,謝旭佳,謝雍基,等.鋰離子電池硅/石墨烯負極材料的電化學性能[J].硅酸鹽學報,2019,47(09):1327-1334.

[7]方稱輝,李新喜,張國慶,等.鋰離子電池多孔硅/石墨烯復合負極材料的制備及性能研究[J].河南科技,2020,39(29):133-137.

[8]孫鵬,馬賢坤,趙佳華,等.磷化鎳/氧化石墨烯負極材料的制備及其鋰離子電池性能研究[J].化工新型材料,2021,49(05):97-101.

[9]錢晨亮,古飛蛟,金雙玲,等.SnO2@C/還原氧化石墨烯的制備及其作為鋰離子電池負極材料的性能[J]. 硅酸鹽學報, 2022, 50 (05): 1215-1222.

[10]吳啟超,孫莞書,雍達明,等.碳網封裝Fe3O4/還原氧化石墨烯鋰離子電池負極材料[J].化學研究與應用,2022,34(04):856-868.

[11]董麗坤,賈永卿.石墨烯負載納米二硫化鈷的制備及其在鋰離子電池方面的應用研究[J].無機鹽工業,2020,52(07):55-58.

[12]田曉鴻.石墨烯制備及其在新能源汽車鋰離子電池負極材料中的應用[J].粘接,2021,45(01):183-186.

[13]尹香檳,辛明亮,黃國家,等.過渡金屬氧化物/石墨烯復合材料在鋰離子電池負極材料中的應用[J].化工新型材料,2021,49(08):55-59.

[14] 翟忠偉, 孔雪. 化工園區污水處理工藝技術設計[J]. 遼寧化工, 2022, 51 (03): 335-338.

[15] 寧波材料所與浙江省石墨烯制造業創新中心聯合研制出3kW石墨烯基鋁燃料電池發電系統[J].有色金屬材料與工程, 2018, 39 (06): 56.

[16] 朱果.溶膠凝膠法制備Fe3O4/石墨烯復合材料及其在鋰離子電池負極材料中的應用[J].湖南有色金屬,2018,34(06):40-45.

[17] 趙建江,徐明生.氧化鎂層對石墨烯/硅太陽能電池的界面優化[J].光子學報,2018,47(12):64-70.

[18]譚鳳芝,趙艷茹,曹亞峰.MoS2/石墨烯鋰離子電池負極材料的制備及其性能[J].化工進展,2017,36(12):4519-4523.

[19] 韓鵬獻,姚建華,崔光磊.氧化石墨烯/聚苯胺復合物用于釩液流電池電極材料的研究[J].電池工業,2017,21(5):14-18.

[20] 吉功濤.石墨烯及其復合材料在鋰離子電池負極材料中的應用[J].化工管理, 2017(30):89.

Research Progress of Graphene Lithium-ion Batteries

（College of Chemistry and Chemical Engineering, Neijiang Normal University, Neijiang Sichuan 641100, China）

With the continuous improvement of people's daily life, the consumption of resources is gradually increasing, and the resulting environmental problems are also subtly derived. Graphene, as a material with high cost performance and excellent performance in all aspects, can give full play to its huge role, especially in the research and development of lithium-ion batteries. Meanwhile, the development of new energy equipment can solve a series of problems caused by the original energy consumption. In this paper, the application of graphene in lithium-ion batteries was reviewed, and graphene, lithium-ion batteries and their applications in specific production and life were introduced respectively, and the future and development prospects were prospected.

Graphene; Lithium-ion battery; New composite material; Scientific research application

內江師范學院科技處項目，具有表面微結構的可拉伸電極及其在應力傳感器中的應用（項目編號：X20B0014）。

2022-05-30

張振宇（1999-），男，四川南充人。

許定達（1986-），男，講師，博士，主要從事環境科學方向研究。

TQ03

A

1004-0935（2023）01-0098-04