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石墨烯在電極材料領(lǐng)域的應(yīng)用：


石墨烯的用途眾多，可用做各類電子產(chǎn)品的顯示屏、環(huán)保材料，還在能源領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于鋰離子電池和超級電容器的電極材料。

石墨烯基鋰離子電池的應(yīng)用場景眾多。既可應(yīng)用于分布式基站，使備電單元輕量化、小型化，適應(yīng)赤道、沙漠，陽光直射等高溫極端環(huán)境；也可應(yīng)用于無人機和燃料電池車，完成高溫環(huán)境下的續(xù)航以及安全運行。
石墨烯超級電容器作為一種很有前途的儲能設(shè)備，在保留電極材料高比表面積的同時可增大其能量密度，可為智能手表、柔性電子屏、可折疊手機等可穿戴電子設(shè)備提供大功率電源。未來不僅可單獨用在需要高功率輸出的通信、軌道交通、啟?？刂频阮I(lǐng)域，還可與電池形成互補以同時實現(xiàn)高能量密度和高功率密度的電動汽車、交通運輸和可再生能源領(lǐng)域。

1.1 鋰離子電池材料

高能量密度鋰離子電池是各國政府及領(lǐng)先電池企業(yè)競相布局、重點研發(fā)的方向。石墨烯宏觀體結(jié)構(gòu)是由微米大小、導(dǎo)電性良好的石墨烯片搭接而成，具有開放的大孔結(jié)構(gòu)。石墨烯材料的結(jié)構(gòu)特征決定了石墨烯材料的儲鋰行為。鋰離子在石墨烯材料中具有很高的儲鋰容量，開放的大孔結(jié)構(gòu)也為電解質(zhì)離子的進(jìn)入提供了勢壘極低的通道，可保證石墨烯材料作為鋰離子電池材料具有良好的功率特性。


（１）鋰離子電池負(fù)極材料。

一般鋰離子電池的負(fù)極材料應(yīng)具有以下特點：嵌入反應(yīng)易進(jìn)行；可以快速脫嵌且可逆容量高；穩(wěn)定的充放電性能；循環(huán)性能好；環(huán)保等。常用的負(fù)極材料有碳、鈦酸鋰、硅材料和過渡金屬氧化物等，其中石墨是商業(yè)化程度最高的材料。石墨的導(dǎo)電性好，片層結(jié)構(gòu)完整，有利于鋰離子的嵌入和脫嵌，因此在四十多年前就被選作負(fù)極材料。直到現(xiàn)在，石墨依然是使用最廣泛的電極材料。但石墨容量較低，無法滿足鋰離子電池日益增長的容量要求，而石墨烯材料具有大的比表面積和更高的容量，可以替代石墨用作鋰離子電池的負(fù)極材料。
石墨烯比容量是石墨理論容的兩倍，可直接用作鋰離子電池的負(fù)極材料。石墨烯的高比容量主要源自于石墨烯邊緣大量缺陷的存在以及石墨烯良好的導(dǎo)電性能，其電極薄膜電阻極低，僅為１Ω。若將石墨烯負(fù)極與磷酸鐵鋰正極組成全電池，則可以實現(xiàn)380Ｗ·ｈ／ｋｇ的理論能量密度和190Ｗ·ｈ／ｋｇ的實際能量密度。但是石墨烯用作鋰離子電池負(fù)極材料存在循環(huán)壽命低的問題。石墨烯用作負(fù)極材料時，其循環(huán)穩(wěn)定性主要取決于鋰離子在嵌入脫嵌過程中誘發(fā)的再次聚集，這種影響在使用氧化石墨烯時更加明顯，因為發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)會使石墨烯失去含氧官能團，從而使得石墨烯片層之間更易于再次聚集，電極容量降低，導(dǎo)致電極性能惡化。

（２）鋰離子電池正極材料。

鋰電池正極材料主要包括三元材料、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰等。但是磷酸鐵鋰具有比容量低、倍率性能一般、低溫特性差等缺點，鈷酸鋰的質(zhì)量比容量低且成本較高，錳酸鋰雖然具有低溫性能好、價格低廉資源豐富、工藝簡單、污染小、安全性能優(yōu)異等優(yōu)點，其比容量低且高溫性能差、循環(huán)壽命低限制了其應(yīng)用范圍。三元材料因其能量密度高、容量高、豐富的體系組成，成為近年的研究熱點。為降低生產(chǎn)高倍率性能和高振實密度三元材料的生產(chǎn)成本，可通過摻雜包覆工藝來改變?nèi)姵氐陌踩阅堋Ｔ谡龢O材料中，添加具有二維高比表面積特殊結(jié)構(gòu)及優(yōu)異電子傳輸能力的石墨烯材料，可以大幅改善正極材料的導(dǎo)電性能，有效提高鋰離子在正極材料中的擴散傳輸能力。相較于傳統(tǒng)的導(dǎo)電添加劑，石墨烯的優(yōu)勢在于：添加量更少，電化學(xué)性能更優(yōu)異。
石墨烯在高電位下也具有很高的儲鋰活性，因此也可以作為鋰離子電池正極材料使用，其電化學(xué)性能主要來源于表面含氧官能團與鋰離子在高電位下的可逆氧化還原反應(yīng)。電動汽車現(xiàn)在使用的磷酸鐵鋰正極材料電荷傳輸性質(zhì)不佳，在高倍率條件下容量將快速衰減。而在鋰離子正極材料中添加石墨烯則可極大改善這一情況。有研究結(jié)果顯示，僅需在電池的電極材料中添加1.5％質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨烯，該電池的充電速率即可大幅提升，可以在172ｓ內(nèi)充電至137ｍＡ·ｈ／ｇ的比容量，相當(dāng)于不到３ｍｉｎ充電至８９％，并在此條件下循環(huán)充放電500次后仍可保留初始容量的９０％。


1.2 超級電容器

超級電容器是功率型綠色儲能設(shè)備，具有功率密度大、循環(huán)壽命長、充放電速度快、適應(yīng)溫度范圍大、安全可靠等特性，應(yīng)用于需要平抑可再生能源發(fā)電瞬時波動、大功率電機啟動等場景。電極材料是超級電容器的關(guān)鍵所在，決定著該儲能器件的主要性能指標(biāo)，如能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等。在眾多的電極材料中，多孔碳材料因其價廉易得、電化學(xué)穩(wěn)定、導(dǎo)電性好、比表面積高等優(yōu)勢而成為研究熱點并已實現(xiàn)了商業(yè)化。
然而，碳基超級電容器的能量密度仍較低，約為商業(yè)鋰離子電池的１／２０，難以滿足儲能器件實際應(yīng)用的需求。提高碳基材料的比表面積，調(diào)整顆粒尺寸，改善孔徑分布和修飾表面狀是提高其能量密度的關(guān)鍵因素所在。石墨烯儲能材料具有巨大的、離子可進(jìn)入的比表面積以及良好的電荷傳輸性質(zhì)，應(yīng)用于超級電容器可極大提升其能量密度。不同于鋰離子電池，超級電容器是通過表面氧化還原反應(yīng)或活性材料表面吸附電荷來儲存能量的。因為單層石墨烯的兩個表面都可用于儲存電荷，所以石墨烯的理論容量較大。但是由于石墨烯的堆積密度非常低，使得其在制備高功率或高能量密度超級電容器時遭遇瓶頸，導(dǎo)致石墨烯超級電容器雖然擁有較高的重量比容量，但是體積比容量較小。通過對電解質(zhì)進(jìn)行簡單過濾操作，可以對石墨烯層間的電解質(zhì)含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，在一定程度上達(dá)到控制堆積密度的目標(biāo)。此類石墨烯超級電容可以獲得相對于傳統(tǒng)電容器高一個數(shù)量級的功率密度，并達(dá)到接近鉛酸電池的能量密度。
具有高比表面積的石墨烯是發(fā)展高性能超級電容器的有效途徑，且當(dāng)各種贗電容活性物質(zhì)和具有高導(dǎo)電性、高比表面積的石墨烯結(jié)合時，有望得到更高容量的超級電容器。值得注意的是，當(dāng)這種活性物質(zhì)與石墨烯制備過程相結(jié)合時，儲能設(shè)備的工藝流程和生產(chǎn)成本都將大大降低。


原標(biāo)題：石墨烯在儲能領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀及展望