用于锂离子电池的石墨烯及其复合材料的合成与表征： 综述

成果简介

近年来，人们对高性能可充电锂离子电池的需求急剧增长，并采取了许多措施来提高尖端导电材料的使用率。石墨烯和基于石墨烯的材料自发现以来，经过了进一步的研究，现已被公认为高性能导电材料。众所周知，石墨烯是一种二维碳基材料，具有很高的杨氏模量、出色的导电性、惊人的本征电子迁移率、更强的机械强度、更高的光敏透射率、催化活性和化学稳定性。然而，在过去的十年中，应用材料行业和学术界都因石墨烯的使用而取得了令人瞩目的创新成果，尽管也面临着一些挑战，包括生产成本高昂，以牺牲高质量材料为代价。此外，石墨烯生产所面临的挑战还包括大量销售所需的稀缺性。

本文，穆罕默德·本·法赫德亲王大学L. Syam Sundar等研究人员在《Alexandria Engineering Journal》期刊发表名为“Synthesis and characterization of graphene and its composites for Lithium-Ion battery applications: A comprehensive review”的综述，作者强调了石墨烯在可充电锂离子电池中的最新功能化发展、受控产品材料和用途。为了描述用于锂离子电池的石墨烯的未来发展，我们将在这篇综述中讨论最鼓舞人心的结果、优势、困难、关键问题、研究领域和前景。

图1.石墨烯在可充电电池中的应用。

图文导读

2.1 石墨烯的合成

图2.石墨烯合成流程图

2.2 自上而下制备石墨烯

在自上而下的技术中，石墨和石墨的衍生物通过氧化石墨（GO）和氟化石墨相互分离或剥离以产生石墨烯或石墨烯片改性。

2.3. 氧化石墨烯的表征

图3.石墨、GO和rGO的XRD图谱

2.4. 电池用石墨烯

目前，锂离子电池（LIB）是利用率很高的储能材料。与其他电池类型相比，LIB具有几个显着的优势，包括高能量存储，高哥伦比亚力，能源效率，无记忆效应，巨大的循环寿命，所有这些都具有灵活性。因此，LIB 是各种产品的首选，包括智能手机、笔记本电脑和移动电源。在目前市售的电池中，LIB也被认为具有电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）的有前途的动力来源。因此，在研究上投入了大量资源，以更经济的方式开发性能更高的 LIB。因为，与其他商用电池相比，LIB具有明显更好的能量密度，具有体积和重量特性。LIB被认为在快速扩张的电动汽车市场以及便携式电源中至关重要。今天，储能锂化合物具有二次电池中使用的阴极和阳极，更广为人知的是LIB。

图4.LIB的工作原理

2.5. 石墨烯基阳极

根据反应机理，LIB负极材料分为几类：嵌合（含碳材料，钛酸锂等），合金如（Si，Sn等），和转化（例如过渡金属氧化物，硫化物，氮化物等）。碳质材料，如硬碳、软碳、石墨和介碳微珠（MCMB），都被归类为插入型材料，是商业电池中最常用的负极材料 石墨中间层可以将Li嵌入其中，直至化学计量LiC6.在上一节中提到，石墨作为LIB阳极的应用用途是固体电解质界面（SEI）层，其稳定性限制了电极与电解质的反应，而速度Li +转移是必不可少的，并且是允许的。这是因为将反应插入石墨的电化学锂离子电位超出了电解质窗口的范围

图5、循环时固体电解质界面（SEI）的发展

2. 6. 石墨烯正极材料

如前所述，层状金属氧化物如LCO，LiNiO2或LNO和NCM，橄榄石过渡金属磷酸盐（如LFP和LVP）和尖晶石LMO是LIBs材料最典型的阴极。这些正极材料具有可接受的锂离子扩散系数，但快速反应的导电性较差。例如，纯LFP，LCO和LMO的电导率为10-3, 10-5和 10-9S/cm，。由于导电性差，它们通常具有较低的倍率能力，这使得对电池进行快速充电或放电变得更加困难。炭黑在商业锂离子电池的生产中用作导电成分，以增强其电化学特性。

高导电性、化学稳定性和石墨烯机械强度都已被证明是提高阴极电化学性能的良好补充。由于石墨烯的平面，柔性片状结构和“释放”的电子可以更自由地传播，因此可以用具有电化学活性的材料形成导电网络。由于电子通过石墨烯集流体和纳米颗粒的电化学活性，电池的内阻降低，输出功率增加。石墨烯片材的强大机械特性有助于提高循环稳定性。

小结

凭借改进的导电性、更好的晶体尺寸和取向控制，孔隙提供了更好的电解质通道，并有助于提高机械坚固性，这对于循环过程中体积膨胀显著的材料至关重要。这些是石墨烯材料可以提供复合材料的主要优势。石墨烯基材料引起了极大的关注，锂离子电池率先开发了许多具有有益特性的复合材料，例如增强的倍率性能、增加的容量和更长的循环寿命。这些发展允许创造具有更大功率，提高能量密度和更长循环寿命的锂离子电池。尽管有这些优势，但石墨烯基材料仍面临许多挑战，包括低振实密度和低体积能量密度、类似电容器的行为以及描述不良的充电和放电平台。

然而，石墨烯基和石墨烯基复合材料并不是面临这些挑战的唯一纳米材料。建立稳健的相关性是困难的，因为基于石墨烯的材料特性通常因研究而异。研究最多的问题是石墨烯复合负极材料首次循环效率差。通过各种方法，提高了高不可逆容量负极材料对全电池应用的适用性。预锂化可用于消除不可逆的容量，但是还没有可用于商业生产的预锂化方法。使用过多具有阴极特性的材料将大大增加电池的重量和成本，因为正极材料通常比阳极材料更重、更昂贵。

文献：https://doi.org/10.1016/j.aej.2023.07.044