对石墨烯的制备及其在锂电池负极材料中的运用探讨

顾凯

摘要：石墨烯是一种性能优异的新型材料，它的结构独特，为单原子层二维蜂窝状。近些年来，针对石墨烯的理论研究、实验制备以及投入使用等方面的内容，已经成为专业领域研究的重点问题。由于石墨烯本身具有高导电以及高导热等优良性能，正在被广泛的使用到多个领域中，尤其是对于锂电池而言，石墨烯的诞生为锂电池实现高性能创造了良好的条件。本文研究了石墨烯的制备方法，并针对其在锂电池负极材料中的应用展开了分析。

关键词：石墨烯;锂离子电池;负极材料

引言

石墨烯具备高导热性、高强度和高刚度、高导电性以及高比表面积等诸多优势，正是因为这些优良的性能，目前在光电器件、储能等多个领域的发展中，石墨烯及其复合材料正在被大规模的使用，尤其作为锂电池负极材料，石墨烯发挥了很大的作用。锂电池是一种综合性能良好的电池，在发展的过程中，已经成为动力电源选用的主要材料，同时，这对锂电池的性能也提出了更高的要求，而石墨烯的出现则为锂电池性能的提升提供了支持。

1石墨烯的制备方法

1.1机械剥离法

机械剥离法是一种通过机械力从热解石墨的表面剥离出石墨烯的方法。第一，需要通过离子束在热解石墨的表面进行离子刻蚀的工作，这种热解石墨属于高定向热解石墨，要在其表面刻蚀出一个微槽，再将光刻胶粘贴在上面;第二，对高定向热解石墨上的微槽进行烘焙，再反复撕揭透明胶带，将其中剩余的部分取出;第三，将石墨片置于丙酮溶液中进行清洗;第四，再将石墨片置于丙醇溶液中，对其进行超声处理，最后取出单层石墨烯。通过这种方法制备出的石墨烯具有晶体结构较为完善的特点，但是该方法在实际的使用中，速度较慢，产量也相对较低。

1.2化学气相沉积法

化学气相沉积法是在一种在高温可分解的前驱体气氛中放置平面基底，再将这个平面基底进行高温退火操作，促使碳原子可以在平面基底的表面实现沉积，最终制备出独立的石墨烯片。这种石墨烯制备方法相对来说工艺较为完善，可以获取到大面积的石墨烯片，不过也有一定的缺陷，化学气相沉积法制备出的石墨烯在部分性能上与机械剥离法制备的石墨烯没有明显差异，但缺乏一部分属性。由这种方法制备出的石墨烯的电子性质很大程度上是由衬底决定的。

1.3石墨插层法

这种方法主要是以天然的鳞片石墨作为制备石墨烯的材料，将石墨与插入物质混合之后获取石墨烯。将原子团插入石墨中，就能够获取到一种全新的层状化合物。当物质插入之后，每一层石墨鳞片之间的层间力就会被相应的降低，因此，就要借助超声进行处理，才能够获取到石墨烯。这种方法可以用于超薄石墨烯的制备，但是对于插层的有效性和充分性很难保证，原因在于制备存在不可控性[1]。

2石墨烯在锂电池负极材料中的运用

在锂离子电池中，碳一直被大规模的使用，在其负极材料中，CNTs与C60是两种被频繁使用到的材料，在锂离子电池化学性能提升中发挥了很大的作用。近些年来，石墨烯材料及其相关的配套技术正在不断的兴起，发展的速度越来越快，相关领域在锂离子电池负极材料的选择上，已经将石墨烯作为一种新型材料融入到新型锂电池的研发和使用中。通过大量的试验结果显示，利用石墨烯材料作为锂离子电池的负极材料，具备优越的储锂性能。

通过大量的实践和试验结果显示，单纯的石墨烯材料的首次可逆容量为540mAh/g，但是当它与CNTs与C60材料进行复合以后，这个首次可逆容量就会增加至730mAh/g以上，相对于理论容量而言，这个数值是要高出许多的。通过化学制备方法制备出的石墨烯，尽管其本身只有两到三层，但是在试验中，可以发现，它的首次可逆容量能够达到650mAh/g，除此之外，这种石墨烯材料在经过100次的循环之后，仍旧可以拥有超过450mAh/g的可逆容量，其原因在于，通过化学制备方法制备出的石墨烯材料的含氧官能团数量很高，借助高温还原的手段，能够促使石墨烯被高度还原，并且有着可逆容量高和结构完整的特点。

除此之外，通过Staudenmaier制备方法得到的石墨烯，它的首次充电容量就可以达到1233mAh/g，首次放电容量则为672mAh/g，在经过30次的循环之后，仍旧可以拥有超过500mAh/g的容量。通过热膨胀制备方法得到的石墨烯材料，在电流密度为100mA/g时，它的首次充电容量可以达到2035mAh/g，首次放电容量为1264mAh/g，与此同时，在经过40次的循环之后，它的容量仍旧可以超过850mAh/g。但是在利用这种方法制备石墨烯时，它的可逆容量是受到电流密度影响的，当电流密度出现变化时，可逆容量就会随之发生变化，上文阐述的是电流密度为100mA/g时，石墨烯容量的数值，而当电流密度为300mA/g时，石墨烯的可逆容量就会下降到936mAh/g，当其为1000mA/g时，石墨烯材料的可逆容量就会再次下降到445mAh/g。

尽管石墨烯材料本身具备着多种优异的性能，作为负极材料也是被广泛认可的，但是如果直接将石墨烯材料应用到锂离子电池中，还是会产生诸多问题的。例如，当直接将石墨烯材料应用到锂离子电池中，在电池首次充电和首次放电的过程中，就会与电解液之间产生反应，并且生成一种界面膜，一旦發生这种情况，锂离子电池的负极就会出现钝化的现象，这会造成大量的锂离子流失，材料的不可逆变容量也会很高。与此同时，由于石墨烯材料本身具备高比表面积的性质，这也意味着它与电解液之间接触的面积就会很大，进而生成数量更多、面积更大的界面膜，损失更多的锂离子。另外，在制备石墨烯的过程中，会出现团聚及堆积的现象，这会导致在充电和放电的过程中，电池出现容量衰减速度快的问题，电池的实际储能效果下降，无法满足预期。此外，通过对直接使用石墨烯材料作为负极材料的锂离子电池的充电及放电曲线进行研究可知，这种锂离子电子不能形成显著和平稳的放电平台，由此我们可以判断出，将石墨烯材料直接作为锂离子电池的负极材料并不是一种可行的方式[2]。

研究表明，将其他材料与石墨烯材料进行复合，可以显著提升石墨烯材料的性能。经过复合的石墨烯材料，不仅可以将自身原有的性能充分的发挥出来，还可以将两种材料的综合性能以及协同效应共同发挥出来，在实际的应用中有很大的价值。例如，可以在石墨烯的表面以及每一层之间附着一定数量的纳米粒子，一方面，这种方法可以阻碍石墨烯材料的团聚及堆积，另一方面，还可以缓解体积效应。因为石墨烯本身具有良好的导电性能，为电子的传输创造了良好的通电以及网络条件，显著提升了电子传输的能力。

总结

综上所述，就理论上而言，将石墨烯材料作为负极材料运用到锂离子电池中是一种十分可行的方法。不过，就实践及相关的试验结果来看，将石墨烯材料直接运用到锂离子电池中是不可行的。基于此，今后锂离子电池中负极材料更优的选择是石墨烯复合材料，将石墨烯与多种不同的材料进行混合，可以最大限度的发挥出石墨烯与其他材料的优良性能，为锂离子电池今后发展出更优异的性能创造可能。

参考文献

[1]贺婷婷，杨孝智，梁鹏等.石墨烯的制备及其在锂电池负极材料中的应用探讨[J].农村科学实验，2018（12）：84-85.

[2]蔡辉. 多孔硅基复合材料和石墨烯/硅复合材料的制备及其在锂电池中的应用[D].浙江大学，2019.