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石墨烯在锂离子电池中的应用

碳材料因其具有独特的性质和优异的功能，被广泛应用

于高温耐火材料，生物工程材料，核反响堆用构造材料，导

电用炭材料，电极材料等高科技产业中的各个领域。碳元素

的存在形式多种多样，有零维纳米构造富勒烯，一维碳纳米

管，三维构造的金刚石、石墨，以及近几年发现的二维构造

石墨烯。

图10维、1维、2维和3维碳构造示意图

2004年英国的两位科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺

沃肖洛夫从石墨中剥离出石墨片，然后通过特殊的胶带别离

法制得仅由一层碳原子构成的薄片——石墨烯。它是一种新

型二维碳质材料，具有超大的比外表积,同时具有良好的导

电性和导热性,也是很有潜力的储能材料，因此成为物理、

化学、材料领域的研究热点。石墨烯的出现在科学界掀起了

巨大的波澜，这种新材料的诞生最终使安德烈·海姆和康斯

坦丁·诺沃肖洛夫获得2021年诺贝尔物理学奖。

1石墨烯的构造和性质

石墨烯是只有一个碳原子层厚度的石墨，具有理想的二

2

维晶体构造，碳原子通过SP杂化成键，与周围其他三个碳原

子以C—C单键相连，同时每个碳原子剩有一个垂直于石墨烯

平面的p电子，未成对的p电子在与平面垂直的方向形成π轨

优选

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道，可以在石墨烯晶体构造中自由移动，从而使得石墨烯具

有良好的导电性能。

图1.1石墨烯构造示意图

但是，二维晶体在热学上不稳定，透射电镜观察及电子

衍射分析说明单层石墨烯并不是完全平整的，而是呈现出本

征的微观的不平整，在平面方向发生角度弯曲。扫描隧道显

微镜观察说明纳米级别的褶皱出现在单层石墨烯外表及边

缘。这种褶皱起伏变化可以导致静电的产生，从而使得石墨

烯在宏观易于聚集，很难以单片层存在。

石墨烯只有一个碳原子厚度，并且是己知材料中最薄的

一种，然而却非常结实坚硬，它比钻石还强硬，其强度比钢

铁还高100倍。石墨烯也是目前己知导电性能最出色的材料，

其电子的运动速度到达了光速的1/300，远远超过了电子在

一般导体中的运动速度。此外，石墨烯还具有许多优异的性

:如较高的氏模量、热导率、较高的载流子迁移率、巨大

的比外表积、铁磁性等等。这些优越的性质及其特殊的二维

构造使得科学家认为石墨烯拥有非常美好的开展前景。其中

在储能领域，石墨烯可以作为锂离子电池、超级电容器、太

阳能电池和燃料电池等储能器件的电极材料。

2石墨烯在锂离子电池中的应用

石墨烯作为一种由石墨制备的新型碳质材料，单层或者

优选

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薄层石墨〔2～10层的多层石墨烯〕在化学电源里的应用潜

力也备受关注。石墨烯是单层碳原子，上下外表均可以存储

锂离子，本身可以作为锂离子电池负极材料；同时由于石墨

烯的优异机械性能和导电性能，也常用来与其他负极材料复

合，以改善电极性能。

2.1石墨烯负极材料

近几年石墨烯作为锂离子电池负极材料的报道不断出

现。Guo等制备了氧化石墨，随后经高温处理合成石墨烯，

并以其为锂离子电池负极材料进展电化学测试，结果显示其

可逆容量为672mAh/g，且有较好的循环性能。Wang等通过化

学法合成了石墨烯纳米带，并将其作为锂离子电池负极材料，

进展恒电流充放电循环性能测试，结果显示首次放电及充电

容量分别为945mAh/g和650mAh/g，100次循环之后，比容量

为460mAh/g。

Yoo等人用石墨烯作为锂离子二次电池负极材料，其比

容量到达540mAh/g，如果在其中掺入C和碳纳米管后，负极

60

的比容量可以到达784mAh/g和730mAh/g。究其原由可能与材

料中石墨烯片层的排列方式没有优化有关。有研究报道如果

以石墨烯经压制形成的石墨烯纸作为锂离子电池负极材料

时,循环性能就不很理想，即首次循环之后,比容量就下降

到了100mAh/g以下(充放电电流密度50mA/g)。这是因为材料

优选

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中石墨烯片层的排列方式与片层构造与材料的电化学性能

密切相关,一种较理想的构造是石墨烯片层全都垂直于集流

体排成阵列,这