1.      石墨烯在鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用

文獻(xiàn)把石墨烯作為鋰電池負(fù)極材料，當(dāng)采用50mA/g的電流密度充放電時(shí)，該石墨烯電極材料的比容量為540mAh/g；再經(jīng)20次循環(huán)后，容量發(fā)生一定程度的衰減。研究發(fā)現(xiàn)，這可能與材料中石墨烯片層的排列方式未得到優(yōu)化有關(guān)。以石墨烯紙作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，循環(huán)性能就不太理想，首次循環(huán)之后，比容量就下降到100mAh/g以下(充放電電流密度50mA/g)。文獻(xiàn)等采用熱膨脹氧化石墨法制備的石墨烯，將其應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料中。當(dāng)采用1mA/g的電流密度充放電時(shí)，其比容量可達(dá)554mAh/g。更為驚喜的是，他們發(fā)現(xiàn)如果在其中摻入C₆₀和碳納米管后，其比容量可高達(dá)784mAh/g。研究證明，石墨烯材料雖具有非常高的鋰離子擴(kuò)散速率，作為鋰電池負(fù)極材料時(shí)，首次可逆比容量較高，但經(jīng)過(guò)幾次循環(huán)后，容量衰減嚴(yán)重，并且充放電曲線滯后嚴(yán)重，因此很難單獨(dú)作為電極材料使用。而石墨烯獨(dú)特的柔性結(jié)構(gòu)若與高容量金屬或氧化物粒子復(fù)合用作負(fù)極材料則具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

2.  石墨烯基復(fù)合材料在鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用進(jìn)展

目前，用于鋰離子電池負(fù)極材料的石墨烯基復(fù)合材料的研究也有很多，主要有金屬、金屬氧化物和碳納米管等與石墨烯的復(fù)合，大大提高了鋰電池的電化學(xué)性能和循環(huán)性能。

2.1 金屬基石墨烯復(fù)合材料

Zhao等制備了具有多孔結(jié)構(gòu)的Si-Graphene復(fù)合材料，在8A/g時(shí)達(dá)1100mAh/g，此速率相當(dāng)于在8min之內(nèi)就可以完全放電；在1A/g時(shí)比容量高達(dá)到3200mAh/g，相當(dāng)于鋰電池經(jīng)150次循環(huán)后，比容量保持效率仍能達(dá)到99.9%。Liang等采用熱液合成及熱處理的方法把涂覆碳的錫質(zhì)材料嵌入石墨烯中合成Sn@C-Graphene 復(fù)合材料，該材料大約為50～200nm，當(dāng)電流密度分別為100、1000mA/g時(shí)，100次循環(huán)之后比容量保持分別為662、417mAh/g。這是由于該復(fù)合材料擁有石墨烯和碳的雙重結(jié)構(gòu)特征，可以很好地抑制金屬錫的體積膨脹并阻止粉狀錫的團(tuán)聚，因此具有優(yōu)越的循環(huán)性能和高的充放電速率。此復(fù)合材料被認(rèn)為是未來(lái)鋰離子電池負(fù)極材料的最佳候選者之一。

2.2 金屬氧化物基石墨烯復(fù)合材料

Zhong等用化學(xué)合成法制備了SnO2-Graphene納米復(fù)合材料。把SnO2-Graphene復(fù)合材料在鋰電池中進(jìn)行恒電流充放電循環(huán)試驗(yàn)，SnO2-Graphene復(fù)合材料在經(jīng)過(guò)200次循環(huán)后，可逆比容量達(dá)到665mAh/g，衰減的程度很小，大大提高了鋰電池的循環(huán)性能。這是由于SnO₂-graphene 復(fù)合材料三維的柔性結(jié)構(gòu)決定的，所以SnO₂-Graphene復(fù)合材料被認(rèn)為是頗具希望的鋰電池負(fù)極材料。

Wang等人用原溶液混合法在回流條件下制備了Co₃O₄-Graphene納米復(fù)合材料，把Co₃O₄-Graphene復(fù)合材料在鋰電池中進(jìn)行恒電流充放電循環(huán)試驗(yàn)，Co₃O₄-Graphene復(fù)合材料的存儲(chǔ)比容量可達(dá)到722mAh/g，比之前文獻(xiàn)報(bào)道的純石墨烯和純Co₃O₄要高很多。在進(jìn)行第二次循環(huán)后，可逆存儲(chǔ)比容量也達(dá)到795mAh/g。因此Co₃O₄-Graphene復(fù)合材料也成為頗具潛力和美好前景的鋰電池負(fù)極材料。

Xue用熱液法制備了αFe₂O₃-Graphene納米復(fù)合材料，它的可逆比容量在充電速率為C/10時(shí)達(dá)到771mAh/g。在經(jīng)過(guò)30次循環(huán)后仍可達(dá)到73%。這些性能歸因于石墨烯的高導(dǎo)電性和離子電導(dǎo)率、大的比表面積、優(yōu)異的機(jī)械性能，以及與α-Fe₂O₃的合成作用。因此Fe₂O₃-Graphene復(fù)合材料會(huì)成為鋰電池負(fù)極材料很好的選擇。

除此之外，Yoo 等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在石墨烯納米片層中摻入大分子的CNTs和C₆₀后，其比容量分別提高到730mAh/g和784mAh/g，鋰電池的電化學(xué)性能和循環(huán)性能均得到一定的提高。所以，目前對(duì)石墨烯基納米復(fù)合材料的研究掀起了一股新的熱潮。如何使鋰電池的充放電速率更快，使鋰電池在經(jīng)過(guò)多次充放電循環(huán)后，容量衰減程度減小，也成為了新的問(wèn)題和研究熱點(diǎn)。

3.  結(jié)語(yǔ)

石墨烯具有諸多優(yōu)點(diǎn)而為高性能負(fù)極材料性能的提升提供了可能。本文提及的各種制備方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)。如何完善高質(zhì)量石墨烯的制備技術(shù)，尋找出一種可控、大規(guī)模的石墨烯制備方法，并制備出性能優(yōu)異的石墨烯基復(fù)合材料，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。而且，若石墨烯基電極材料在高能量密度、高功率密度要求的動(dòng)力鋰離子電池領(lǐng)域獲得應(yīng)用，必將大大提升動(dòng)力電池的綜合性能，推動(dòng)電動(dòng)車、電動(dòng)工具等領(lǐng)域的發(fā)展。