石墨烯在锂电池中的应用研究

LUOYANG NORMAL UNIVERSITY

2015届本科毕业论文

石墨烯在锂离子电池材料中的应用研究

院（系）名称化学化工学院

专业名称化学工程与工艺

学生姓名雷丙丽

学号110644058

指导教师刘丰讲师

完成时间2015年04月

石墨烯在锂离子电池材料中的应用研究

摘要：石墨烯是单原子层紧密堆积的一种特殊石墨材料，在电学、热学、力学等方面具有独特的构造和优良的功能，可以发挥其重要的作用。因为石墨烯具有较高的电导率、超大的比表面积、高的化学稳定性等优良的化学和物理特性，所以它在锂离子电池材料中的研究引起了人们的广泛关注。文章不仅综述了石墨烯的结构和制备工艺以及改性方法，而且介绍了石墨烯作为锂离子电池材料的最新研究进展，还分析了石墨烯各制备和改性方法对锂离子电池材料的影响，并对石墨烯在锂离子电池材料中应用的发展趋势进行了展望。

关键词：石墨烯；锂离子电池材料；电化学

The application of graphene in lithium-ion battery materials

research

Abstract：Graphene is a single atomic layer close packing of a kind of special graphite material, such as electrical, thermal and mechanical aspects has unique structure and excellent performance, can play its important role. Because of properties of high electrical conductivity, large surface area, and chemical stability, graphene holds great promising for potential applications in electrode materials for lithium-ion battery, it is in the lithium-ion battery materials research has attracted widespread attention. Article summarizes the modification of graphene and graphene is introduced as a new research progress of the lithium-ion battery materials, graphene is analyzed the influence of the preparation and applications of graphene in lithium-ion battery material development trend is prospected.

Keywords：graphene; the modification of graphene; lithium—ion battery material

1 引言

近几年来，为了进一步实现可持续发展，锂离子电池受到人们的普遍关注，世界

各国开始对环保的可再生新能源的运用和开发投入了非常大的科技技术和资金，而新能源材料的开发一直是能源研究领域的热点。近几年来，电子产业的发展非常迅速，电子产品的功能越来越多，手机、电脑等对电池的电化学性能的要求越来越高。然则仅随着电动车、汽车等新能源产业的迅速发展，二次电池的开发迫在眉睫。未来锂离子电池也可能作为电动汽车的动力电源系统之一。因而，开发安全性比较高、能量密度比较大的锂离子电池材料是目前研究方向的热点之一。

锂离子电池有许多优点，包括能量密度大、无记忆效应、无污染、使用寿命长以及自放电率小，是环保电池，并呈现出快速发展的势态[1]。在1970年前后，随着对嵌入化合物的研究，人们发现了锂离子可在TiS2和MoS2等嵌入化合物的晶格中嵌入或脱出。1983年，首次建立了以碳/石墨材料作为负极，以金属锂作为正极的锂离子电池体系[2]。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。碳/石墨材料是目前商业化使用的负极材料，其来源丰富、成本低、能量密度高、稳定性高，但石墨烯在最低能量下会发生重排,其结构会从标准的六元碳环转变为包含五元环和七元环的杂乱结构,从而形成结构缺陷。因而，摸索新型的负极材料以达到锂离子电池的须要可以作为探究的方向。2004年，英国的曼彻斯特大学安德烈-海姆教授和他的同事们[3]第一次运用微机械力从石墨上剥离出非常薄的石墨烯碳层。由于石墨烯非凡的构造和性能，在国内掀起了研究热潮，其中石墨烯在锂离子电池的电极材料中的应用研究一样也得到了普遍关注。

2 石墨烯的结构与制备

2.1 石墨烯的结构

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。单层石墨烯（如图1所示）中的碳原子周期性排列于石墨烯平面内，它是以六元环形式存在的。在石墨稀中，碳原子可以在石墨稀平面内来回移动，而且碳原子贡献的一个未成键的π电子可以与平面形成垂直的π轨道，因而石墨烯具有良好的导电性[4]。然而由于石墨烯热学波动起伏容易扩散，导致了石墨烯表面出现不平整、皱褶和卷曲的特色。根据石墨烯的此微观结构，制备的石墨烯复合材料，具有不同的优良性质。一方面，科学家们研究了石墨烯的电化学性能和电荷迁

图1 单层石墨烯的电子结构示意图[6]

移率与皱褶的关系以及如何控制[5]。另一方面，石墨烯有许多突出的物理化学性质也是因为石墨烯特殊的构造。其中研究的最早最多的就是石墨烯的电子特性。石墨烯是零带隙半导体，不仅具备特别的线性光谱特征，而且具备独特的载流子特性，因而人们以为单层石墨烯由于非束缚抛物线电子式扩散关系，室温下的电子迁移率达到20000 cm2V-1s-1，受温度影响很小，所以它的电子结构与传统的半导体和金属不同。此外，石墨烯不但有完美的量子隧道效应，还有半整数的量子霍尔效应以及室温铁磁性等共同性质，它们使石墨烯在锂离子电池材料中的应用更具有突出优势。

2.2 石墨烯的制备

人们发现石墨烯有较高的储锂才能，材料自身的电子迁移率高，导热性能突出，稳定性高以及力学性能优异。目前，石墨烯制备的方法主要包括：微机械剥离法、有机合成法、外延生长法、化学气相沉积法、氧化还原法等。

2.2.1 微机械剥离法

英国曼彻斯特大学的Novoselov[7]等人通过微机械剥离法(如图2）得到了比较薄的石墨烯。该研究把石墨薄片粘在胶带上，把有粘性的一面对折，再把胶带撕开，这样可以使石墨薄片一分为二。通过不断地重复这个过程，片状石墨越来越薄，直至该平面上剩下较薄的片层为止。然后将其溶于丙酮溶液中，再在该溶液中浸渍表面为SiO2薄膜的硅基片十分钟左右，并进行超声洗涤，那些厚度小于10 nm的石墨片层于范德华力或毛细作用下严密地固定在硅基片上。思虑到石墨烯特殊的光学特性，研究人员使用扫描电子显微镜（如图3所示）的方法，清楚的观测到了单层石墨烯和多层