用于锂离子电池的石墨烯材料——储能特性及前景展望.pdf

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1、万方数据第26卷第1期2011年2月新型炭材料NEWCARBONMATERJALSV01．26No．1Feb．201l文章编号：1007．8827(2011)01-0005-04用于锂离子电池的石墨烯材料——储能特性及前景展望智林杰1，方岩1”，康飞宇2(1．国家纳米科学中心，北京100190：2．清华大学材料科学与工程系先进材料实验室，北京100084)摘要：石墨烯具有独特的二维结构、优异的性能和各种潜在的应用价值，是当前材料科学领域研究的热点。通过简要评述石墨烯作为锂离子电池负极材料的结构与性能的关系，讨论了作为电极材料的石墨烯结构与功能调控的重要性，指出石墨烯基纳米

2、材料是一种很有吸引力的锂离子电池电极材料，尤其针对高能赶密度与高功率密度电池。关键词：石墨烯；钾离子电池；能量密度；功率密度中图分类号：TQl27．1+1文献标识码：A1前言当今世界，全球气候变暖、化石能源逐渐枯竭、环境污染Et趋严重等一系列的能源与环境问题严重威胁着人类的生存与发展，寻找替代化石能源的可再生绿色能源成为目前嗳需解决的问题，而高效利用风能和太阳能是解决该问题的有效途径。但因风能和太阳能的来源并不稳定，所以高效、实用、“绿色”、“低碳”的储能器件受到了世界各国的高度关注，其中高能量密度和高功率密度则是其能否得到广泛应用的莺要指标。在新型储能器件中，二次电池尤

3、其是二次锂离子电池被寄予了很高的期望，而且目前也有较为广泛的应用基础。锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时，Li+从正极脱出经过电解质嵌人负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到负极，保证负极的电荷平衡；放电时则相反，如图I所示。由于Li的原子序数很小，故Li+的质量很轻，单位重量的电极材料就可以储存较多的Li+，所以通常锂离子电池具有较高的能量密度。然而，受限于电极材料的结构与电解质的性能，锂离子电池的功率性能相对较弱，针对动力锂离子电池，这一点表现得尤为突出。因而，如何提高锂离子电池的功率

4、密度并进一步增大其能链密度是当前研究的热点，同时也是难点。而制备具有高效储能特性的负极材料是解决这一难点的有效途径之一。想要达到此目的，关键在于构建负极材料合理的微观结构，该结构必须具备以下两个关键条件，即：(1)良好韵电子传输通道；(2)合理的Li+传输通道。图I锂离子电池简图Fig．ISchematicillustrationofalithiumionbattery传统的锂离子电池负极材料是碳质材料，也是最早为人们所研究并大量商品化的材料，至今仍是人们关注和研究的重点之一。碳质材料是以石墨烯为基本单元的材料，其储锂机制是充、放电时Li+在石墨的层问嵌入、脱出，其储锂模

5、型如图2(a)所示，按照该模型计算，石墨的理论储锂容量为372mAh·g“¨o。Dahn等在1996年针对石墨的片收稿日期：2011-01-25：修回日期：201l-02．10基金项目：国家自然科学摹金(20973044)，中国科学院知识创新项目(KJCX-2-YW．MIl，KJCX-2．YW．H21)．作者简介：智林杰(1969一)，男，山西五台人，教授，博士生导师，主要从事富碳纳米材料的研究．E-mail：zhilj@narloctr．en万方数据·6·新型炭材料第26卷层结构提出了新的模型，如图2(b)所示，他们认为，如果每片单层石墨都以杂乱无章的形式排列，那么在每

6、片单层石墨的两边均可结合Li+，该材料将可达到约两倍于石墨的理论容量旧1。2003年，su—zuki等经过计算，进一步明确和深化了单层石墨的储锂机制∞J，并指出，只有在两片单层石墨的间距大于0．77nm时，Dahn模型才可成立；加之在理论上石墨烯片层的边沿以及石墨烯堆积形成的微孔均可存储Li州4

7、。进而可推知，单层石墨材料将具有超过两倍石墨的理论容量(即：>744mAh·g一)。图2(a)石墨储锂模型；(b)Dahn’S模犁：单层石墨舣面储锂模型Fig．2(a)StoragemechanismsofLiionsingraphite．(b)Dahn’SmodelofLiad

8、sorptionOnthetWOsidesofanisolatedgraphenesheet但是，在2004年之前，科学家们一直认为严格的二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下会迅速分解或拆解，因而二维单层石墨烯薄片在率温下是不能独立存在的口J。革命发生在2004年，曼彻斯特大学的Geim小组首次用机械剥离石墨的方法在实验室获得了称之为石墨烯(Graphene)的单层和薄层石墨，并进一步表征了石墨烯材料的各种基本性质一‘7J。从此，石墨烯在全世界范围内引起了一股新的研究热潮。目前，石墨烯制备主要的方法有机械剥离法