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石墨烯锂离子电池原理及石墨烯在锂离子电池中的应用
更新时间: 2021-07-25 12:57:26 访问次数: 0

绿色的能量储运体系已成为当前能源领域的关注热点,锂电作为其中重要的一个分支,其性能的提升是科研工作者关注的重点。石墨烯的高导电性、高导热性、高比表面积等诸多优良特性,一定程度上对解决该问题有着非常重要的理论和工程价值。


石墨烯锂离子电池原理


石墨烯电池,是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。石墨烯在用作锂离子电池正负极材料方面具有以下优势:

①石墨烯具有超大的比表面积(2630m2/g),可降低电池极化,从而减少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,即具备良好的电子传输通道和稳定性。

③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缩短;片层间距的增大也有利于Li+的扩散传输,有利于锂离子电池功率性能的提高。


为什么选择石墨烯?

①可以直接作为锂离子电池的负极,制备柔性锂离子电池

②可以用作修饰提高负极的电容量

③可以提高电极电导率同时作为电流收集物质

④可以降低硅基及金属氧化物负极材料的体积膨胀效应,提高使用寿命

⑤可以缩短锂离子电池的充电时间和增加锂离子电池的功率密度


石墨烯在锂离子电池中的应用

石墨烯作为锂离子电池电板材料载体,分别从正极材料和负极材料两方面提高了石墨烯的加入对不同电极材料导电性的提高和对锂离子电池电化学性能的改善,尤其是对大电流放电性能和倍率性能的改善。


1、石墨烯在锂离子负极的应用

石墨烯直接作为锂离子电池负极

石墨烯/Si(Ge、Sn、Ni)复合材料作为锂离子电池负极

石墨烯/金属氧化物复合材料作为锂离子电池负极

石墨烯与金属硫化物复合作为锂离子电池负极


2、石墨烯在锂离子正极的应用

石墨烯与多种正极材料复合的方法与工艺

石墨烯与磷酸铁锂和磷酸钒锂的性能


石墨烯在锂离子电池中应用的问题

石墨烯作为一种性能优异的活性材料大规模应用在锂离子电池上的是时间问题,石墨烯应用于锂离子电池的关键问题在于如何降低石墨烯的成本。通过研究石墨烯与电极材料复合工艺,提高复合的均匀性、吸附性和有效地调控石墨烯的组装与排列使其形成良好的电子与离子传输通道,是石墨烯是否能应用于锂离子电池的关键问题。


尚未解决的理论问题是石墨烯与电解液及电极材料的相互作用问题。石墨烯的高导电、导热性、低电阻率、高强度和硬度,以及易与其他材料组成的双面开放的结构特性,将有希望大幅度进步现有锂离子电池的功能。依据许多石墨烯锂离子电池的研讨进展能够发现,石墨烯在改善锂离子电池功能方面具有潜能。


石墨烯与锂离子电池的正极材料复合,能够增加电极材料的比表面积、改善导电率然后进一步提高的有效容量。与金属氧化物复合能够增加材料的导电率,因为石墨烯本身的结构特功能够避免金属氧化物在充放电进程中的体积胀大,然后增加材料的稳定性,进一步提高材料的充放电寿命。


现阶段,石墨烯本身质量难以达到无缺陷和100%的单层率,导致石墨烯锂离子电池的功能,无法到达预期的功能。可是在石墨烯制备技能不断提高的趋势下,石墨烯质量较之前有大幅度提高,能够预期未来的石墨烯电池的功能将有更大幅度的提高。


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