石墨烯材料及其锂离子电池中的应用

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1、石墨烯材料及其在锂离子电池中的应用主讲人：程江重庆文理学院材料交叉学科研究中心目录一、锂离子电池的发展概况二、石墨烯的简介三、石墨烯在锂离子正极的应用四、石墨烯在锂离子负极的应用五、展望一、锂离子电池的发展概况1.1锂离子电池的发明在上世纪,干电池及可充电电池在生产、生活、战争、科研活动中都发挥了重要作用。但是废旧电池中含有重金属镉、铅、汞、镍、锌、锰及废酸、废碱等，严重污染自然环境，其中镉、铅、汞是对人体危害较大的物质。著名的日本水俣病和骨痛病就分别为汞中毒和镉离子中毒。1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。今天，锂离子电池成为了便携电子

2、器件的主要电源。锂电池对环境的影响很小，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。1.2锂离子电池的工作原理锂离子电池组成：正极、负极、隔膜、线路和外壳正负极材料：可供锂离子嵌入和脱出，电极电位正极＞负极隔膜：通Li+，阻电子充电：Li+：正极→负极，e：负极→正极放电：Li+：负极→正极，e：正极→负极图1锂离子电池工作原理示意图1.3锂离子电池的行业现状具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等突出优点成为目前综合性能最好的电池体系并取得了飞速发展。目前其应用已经渗透到包括移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机、等众多民用及军

3、用领域，另外，国内外也在竞相开发电动汽车、航天和储能等方面所需的大容量锂离子二次电池。2010年，全球锂离子电池为53490吨，其中我国锂离子电池产量超过20亿只，同比上年增长20%以上。主要市场为手机（增长15%）、航模、蓝牙设备、电动工具和电动自行车（增长20%）、各类数码产品等。2011年中国锂电池市场规模增速高于全球增速，2011年中国锂电池行业市场规模达到了397亿元人民币，同比增长43%，全年锂电池产量达到29.7亿颗，同比增长28.6%，呈现出快速增长的势头，与锂电池产能向国内转移的行业背景相符。但是，中国锂电池企业在全球高端市场份额却在减少，竞争力正在减弱，这些问题值得

4、中国电池企业高度重视。2010年在与国际大厂配套方面，2010年日本占42%，韩国占38%,中国占18%。（见表20）图32010年中日韩在与国际大厂配套所占份额图4笔记本领域的锂离子电池需求量图5手机领域的锂离子电池需求量图6电动自行车领域的锂离子电池需求量图7电动汽车领域的锂离子电池需求量锂离子电池电动汽车的发展也将稳步向前，进而带动锂离子电池材料的稳步发展。根据经济学家预测：新能源汽车领域锂离子电池需求量将由2009年的0.25GWh爆发式增长至2015年的35.73GWh。新能源汽车领域锂离子电池占整个锂离子电池领域也由2009年的1.88%快速跃升至2015年的58.74%。

5、从2015年开始，电动汽车市场将快速增长，到2020年电动汽车将占整个轿车产量的15-20%，电动车用电池市场将达到400亿美元。从大体上看看目前锂离子电池遇到的问题：制造成本高循环使用寿命低比容量低于一次电池、镍氢电池等负极材料容量远高于正极负极材料价格远低于正极回收难度大图8锂离子电池的成本组成从电极材料上看锂电池遇到的问题正极材料当前市场常见的正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、三元材料(镍钴锰酸锂)和磷酸铁锂。在动力电池领域，锰酸锂和磷酸铁锂是最有前途的正极材料。主导整个可充电锂电池市场的正极材料——LiCoO2。优点：工作电压高；充放电电压平稳；比能量高（274mAh•g-1）；循环

6、性能好。缺点：Co是战略性稀缺材料，价格昂贵；抗过充电性能较差，存在安全隐患；使用寿命有限，＜500次。结论：无法满足大规模应用，难以成为理想的动力电池材料。LiCoO2的替代品——Li3V2(PO4)3和LiFePO4。优点：材料成本低，电容量大，使用寿命长达2000次以上。缺点：生产成本高，工艺不成熟，更重要的是内电阻大，无法适应大密度电流放电，难以应用于大功率的动力电池。负极材料主导锂离子电池市场的负极材料——石墨优点：价格低廉，来源广泛。缺点：电容量小，理论仅为372mAh/g，循环使用衰减大，压实密度低。未来可能应用的负极材料——非碳基负极材料，例如过渡金属氧化物、硅基材料和

7、合金材料。优点：电容量远超于石墨。缺点：存在一个致命的体积膨胀效应，循环性能较差。表1几种负极材料的理论比容量正极材料理论容量正极材料理论容量石墨372mAh/gCu6Sn5608mAh/gSi4200mAh/gSn992mAh/gSiB3922mAh/gSnO2500mAh/gFe2Al5543mAh/gFe2O3924mAh/g为什么选择石墨烯？可以直接作为锂离子电池的负极可以用作修饰提高负极的电容量可以提高电极电导率同时作为电流收集物质可