石墨烯及其复合材料作为锂离子电池负极材料的研究进展

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1、石墨烯及其复合材料作为锂离子电池负极材料的研究进展摘要：石墨烯作为一种锂离子电池负极材料表现出优异的电化学性能本文介绍了石墨烯负极材料金属/石墨烯复合材料金属氧化物/石墨烯复合材料和其他石墨烯复合材料的研究现状，阐述了石墨烯作为负极材料的优越性，展望了石墨烯及其复合复合材料在锂离子电池负极材料中的应用前景关键词：锂离子电池；石墨烯；负极材料；复合材料石墨烯自问世以来，就以其独特的性质受到了人们的广泛关注它具有很多优异的性能，如良好的导电性较高的杨氏模量巨大的表面积等。石墨烯作为一种锂离子电池负极材料也表现出了优异的电化学性能，相比于普通的碳基材料，其具有更高的比容量和更好的循环性

2、能采用化学法合成花状的石墨烯薄片，以其作为锂离子电池负极材料，与石墨负极对比后发现，石墨烯负极的储锂容量(650mAh/g)远高与石墨负极(372mAh/g)这是由于其独特的二维结构和特异的性能，它具有比其他碳基材料更好的导电性离子迁移率机械强度等石墨烯复合材料作为负极材料也比单一的原材料电极普遍表现出更优异的性能这是由于:第一，石墨烯的引入，可以有效地缓解负极材料在脱嵌锂过程中严重的体积膨胀，延长电极的使用寿命;第二，石墨烯可以和某些物质产生协同效应，实现比原电极更高的比容量和更好的循环性能;第三，某些元素的加入可以防止石墨烯表面的失活所以石墨烯基复合材料是一种优异的锂离子电池

3、负极材料。1石墨烯概述石墨烯是二维蜂窝状六元环紧密连接而成的单碳原子层结构，被认为是碳纳米材料家族的基本组成元件。其实，石墨烯早已不是一个新的概念了，学者们早就知道石墨是由石墨烯片堆积而成。富勒烯发现之时，科学家曾用包裹的石墨烯描述富勒烯的结构，在发现碳纳米管的时候，也曾想过它是石墨烯卷曲的同心中空结构，换言之，石墨烯就是单层的石墨晶体片层。图1.1所示为石墨烯与其碳纳米材料家族的关系图。总的算来，石墨烯的研究已经有60多年的历史。可是，人们一直认为单层的石墨烯是不可能存在的，错误地认为将石墨烯从石墨剥离下来的力足以破坏石墨烯的结构，而且固体的熔点也会随颗粒粒度的减小而大大的降低

4、，当减小到几个原子层厚时，固体将熔化。此外，在二维晶体结构中，由于物质内能的存在，导致原子的振幅很大，因此原子将发生严重的错位，使得单原子层结构不能维持。然而在2004年，独立存在的单原子层石墨烯被曼彻斯特大学的两位俄裔物理学家偶然发现，这一发现使得单原子层物质不可能在非绝对零度下存在的理论不攻自破，从这一刻开始，具有划时代意义的石墨烯开启了科学界新一轮碳纳米材料的研究热潮，因此两人共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。图1.1石墨烯与其碳纳米材料家族的关系图2石墨烯的结构特征石墨烯是由sp2杂化单碳原子紧密连接而成的二维蜂窝状晶体结构，其C-C键长度约为0.142nm，单层石墨烯

5、厚度仅为0.334nm。每个晶格内有三个σ键，该键十分牢固，可形成稳定的六边形结构。垂直于晶面的方向上存在丰富的π键，该键可在石墨烯晶面的平面内自由移动，从而使石墨烯具有超强的导电性能。石墨烯可看成是平面多环芳烃碳骨架的无限放大，如图2.1a所示，六元环中的每个碳原子均有一个未成键的电子，使得石墨烯的结构非常稳定。然而碳原子之间的连接又极其柔软，当受到外力的作用时，碳原子无需重新排列以抵抗外力，这样极大地提高了自身结构的稳定性。石墨烯呈现出二维平面结构，但实际上并不平坦，而是呈波浪状，这种微观扭曲使得石墨烯具有很强的结构稳定性。数层石墨烯可看出明显的起伏(图2.1b)，随着石墨烯

6、层数的增加，其平面性越来越好，这可能的原因是石墨烯层间的相互作用力有利于维持石墨烯结构的稳定。综上所述，石墨烯拥有异常稳定的晶体结构，是目前发现的最薄同时又最具韧性的纳米材料。还具有良好的量子隧道效应和从不消失的电导率等一系列物理化学性能，这些性能使其在电子、信息、能源、新材料和生命医药等诸多领域有着巨大的应用前景。零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯和三维的石墨组成了碳纳米材料的完整家族。图2.1(a)石墨烯的结构示意图和(b)石墨烯的形貌图3石墨烯负极材料碳材料是最早被商业化的锂离子电池负极材料，如今已得到广泛的应用，如石墨化碳材料，炭微球材料等;石墨烯作为碳材料的一员

7、，以其特有的结构较高的比表面积特异的电子传导方式而受到研究者的关注研究发现，石墨烯的可逆容量在3301054mAh/g，这是基于其独特的二维结构提供了高的比表面积，也被认为是其表面丰富的官能团和无序/缺损的结构造成的制备石墨烯的方法可分为物理法和化学法两类。物理方法包括:机械剥离法外延生长法取向附生法;化学方法包括:氧化石墨还原法，化学气相沉积法热还原氧化石墨法等。无论哪种方法制备的石墨烯，其可逆容量都要远远高于石墨负极，其循环性能也要好于石墨负极人们不仅制备出了层状石墨烯，还采