石墨烯在鋰離子電池負極材料中的應(yīng)用

石墨烯作為鋰離子電池負極材料，當(dāng)采用50mA/g的電流密度充放電時，該石墨烯電極材料的比容量為540mAh/g；再經(jīng)20次循環(huán)后，容量發(fā)生一定程度的衰減。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，無論是輕薄、硬度、導(dǎo)熱、導(dǎo)電，都是所有材料之最，被認為是一種未來革命性的材料。

研究發(fā)現(xiàn)，這可能與材料中石墨烯片層的排列方式未得到優(yōu)化有關(guān)。以石墨烯紙作為鋰離子電池負極材料時，循環(huán)性能就不太理想，首次循環(huán)之后，比容量就下降到100mAh/g以下(充放電電流密度50mA/g)。文獻等采用熱膨脹氧化石墨法制備的石墨烯，將其應(yīng)用于鋰離子電池負極材料中。當(dāng)采用1mA/g的電流密度充放電時，其比容量可達554mAh/g。

更為驚喜的是，發(fā)現(xiàn)假如在其中摻入C60和碳納米管后，其比容量可高達784mAh/g。研究證明，石墨烯材料雖具有非常高的鋰離子擴散速率，作為鋰離子電池負極材料時，首次可逆比容量較高，但經(jīng)過幾次循環(huán)后，容量衰減嚴重，并且充放電曲線滯后嚴重，因此很難單獨作為電極材料使用。而石墨烯獨特的柔性結(jié)構(gòu)若與高容量金屬或氧化物粒子復(fù)合用作負極材料則具有得天獨厚的優(yōu)勢。

鋰離子電池負極材料石墨烯的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

近年來由于新能源汽車的快速發(fā)展，對動力鋰離子電池需求飛速提升，全球動力鋰電池在鋰離子電池產(chǎn)量中的占比由2014年的14%快速提升到2015年的28%；而我國動力鋰電池在鋰離子電池產(chǎn)量中的占比也由2014年的19%快速提升到2015年的36%。

鋰離子電池產(chǎn)業(yè)可以分為上游的礦產(chǎn)資源、中游的原材料、產(chǎn)品制造與組裝、下游的應(yīng)用三大范疇。在產(chǎn)業(yè)鏈的環(huán)節(jié)中，鋰離子電池隔膜制造環(huán)節(jié)的毛利率是最高的。負極材料技術(shù)是最成熟的，其中石墨系負極材料仍是主流。

仍技術(shù)角度來看，未來鋰離子電池負極材料將會呈現(xiàn)出多樣性的特點。隨著技術(shù)的迚步，目前的鋰離子電池負極材料已經(jīng)仍單一的人造石墨發(fā)展到了天然石墨、中間相碳微球、人造石墨為主，軟碳/硬碳、無定形碳、鈦酸鋰、硅碳合金等多種負極材料共存的局面。

天然石墨負極材料技術(shù)有了較大的迚步，其可逆容量已達360mAh/g以上，在消費型鋰離子電池中獲得了廣泛的應(yīng)用。預(yù)計在未來的小型電池中，高容量電池仍將以天然石墨為主。人造石墨負極材料當(dāng)前的應(yīng)用非常廣泛，其優(yōu)點是長寽命，較低的極片反彈，而缺點是容量相對較低。目前在人造石墨的技術(shù)改迚使得人造石墨也可以發(fā)揮350mAh/g的可逆容量。將人造石墨與天然石墨復(fù)合作為鋰離子電池負極材料也已被許多電池廠家所認可。軟/硬碳、無定形碳、鈦酸鋰、金屬合金、硅碳合金等新型負極材料目前已經(jīng)處于試用階段，可能在未來幾年里會逐步產(chǎn)業(yè)化。新型的負極材料雖然有其特殊的優(yōu)勢，但技術(shù)仍然不成熟。

現(xiàn)階段，石墨材料是負極材料的主流，未來石墨烯、鈦酸鋰、硅碳復(fù)合材料未來其良好發(fā)展前景。從2015年全球鋰離子電池負極材料消費結(jié)極來看，天然石墨、人造石墨、中間相炭碳微球及鈦酸鋰、軟碳與硬碳、非碳材料占比分別為55.0%、35.0%、7.4%、1.7%、0.8%，我國鋰離子電池負極材料消費結(jié)極來看，天然石墨、人造石墨、中間相碳微球和鈦酸鋰占比分別為36%、53%、11%。

我國3C消費品領(lǐng)域中，手機與微型計算機占據(jù)了絕大部分市場，因此在此我們重要討論近年來手機與微型計算機的市場情冴。在經(jīng)歷了2009~2010年智能手機的爆發(fā)式上升后，國內(nèi)手機產(chǎn)量基本保持在10%以上的年均增速平穩(wěn)上升；且由于2009年智能手機帶動平板電腦等便攜設(shè)備的發(fā)展，微型計算機產(chǎn)量也在經(jīng)歷2010年前后的爆發(fā)后回落。不過總體來說3C電子市場近幾年保持了相對平穩(wěn)的上升，可以預(yù)期未來繼續(xù)保持低增速的發(fā)展態(tài)勢。