石墨烯在鋰離子電池負極材料中的應用

石墨烯作為鋰離子電池負極材料，當采用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、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫(yī)學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，無論是輕薄、硬度、導熱、導電，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。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，將其應用于鋰離子電池負極材料中。當采用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構若與高容量金屬或氧化物粒子復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%。

鋰離子電池產業(yè)可以分為上游的礦產資源、中游的原材料、產品制造與組裝、下游的應用三大范疇。在產業(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。負極材料技術是最成熟的，其中石墨系負極材料仍是主流。

仍技術角度來看，未來鋰離子電池負極材料將會呈現(xiàn)出多樣性的特點。隨著技術的迚步，目前的鋰離子電池負極材料已經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用。預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前的應用非常廣泛，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處于試用階段，可能在未來幾年里會逐步產業(yè)化。新型的負極材料雖然有其特殊的優(yōu)勢，但技術仍然不成熟。

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消費品領域中，手機與微型計算機占據了絕大部分市場，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。在經歷了2009~2010年智能手機的爆發(fā)式上升后，國內手機產量基本保持在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備的發(fā)展，微型計算機產量也在經歷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，可以預期未來繼續(xù)保持低增速的發(fā)展態(tài)勢。