NEC锂电池石墨烯在锂电池中的效果

石墨烯中的每个碳原子经过sp²杂化轨迹与另外三个碳原子连接，构成六边形晶格。GO是一种堆叠的碳结构，其功用基团包含氧（=O、-OH、-O-、-COOH），这些基团附着在平面的边际和层的两边。GO也或许具有单层或多层结构，就像任何二维碳资料相同[35-40]。因为GO在溶剂中简单溶解、介电功能、透明度、可变的电气特性和优异的机械才能，其运用领域正在不断增长。另一方面，sp²键的开裂使得亲水的GO变得导电。现已运用了多种表征和测量方法，如密度梯度超离心（DGF）、地道电子显微镜和原子力显微镜，来获得准确的数据，然后将它们与石墨烯的特性相关联[41]。图3显现了GO的性质和运用的示意图。图4显现了GO组成进程演变的示意图。

石墨烯氧化物锂离子电池的功能和运用示意图

锂离子电池的三个首要组成部分是阴极、电解质和阳极。在充电进程中，从正极脱出的锂离子经过电解质向下移动，并嵌入到负极中。经过在阴极中完结Li粒子的嵌入/提取机制的概念，对于进一步重新激发和进步锂离子电池功能至关重要。现在，石墨（作为负极）和锂钴氧化物（LiCoO2以及LiCO）（作为正极）等锂嵌入混合物被用作锂离子电池中的端资料，因为它们在嵌入或许性下现已证明了有用的可逆充放电。尽管石墨具有更大的理论值（372.1mAh g-1），但在更新的储能设备中，它并不像其他电极资料那样有用。因此，在锂离子电池研讨中，对更高的锂存储限制、有希望的循环才能和负极的速率容量给予了相当大的考虑。在锂离子电池中，根据GO的负极将作为阳极运用，该负极展示了纳米结构发展。商业上常用的负极石墨或许会被GO取代，人们相信这能够进步设备功能，而不需求添加比如锂之类的风险物质[42]。石墨烯纳米片（graphene nanosheets）是石墨烯的另一个名字，正在被广泛研讨用于作为负极资料。

已记录了各种由石墨烯制成的复合资料作为锂离子电池阴极资料的运用情况。石墨烯的二维柔性使其易于动态附着在金属氧化物表面。最常描绘的用于锂离子电池的石墨烯复合阴极包含掺杂石墨烯、原始石墨烯和石墨烯复合资料，包含石墨烯/金属磷酸盐、石墨烯/金属硅酸盐和石墨烯/金属硫化物等。其中，橄榄石磷酸盐（Li2MPO4）和硅酸盐（Li2MSiO4），其中M能够是Fe、Mn或Co中的任何一种元素，因为其低成本、杰出的电化学功能和高稳定性等有利特性，已被广泛研讨作为锂离子电池的阴极资料[44]。根据熊等人研讨，氧官能团的添加与还原氧化石墨烯（rGO）电化学特性的改进有关。经过在不同退火温度和时间段下进行热还原进程，从GO中创立了rGO。阴极是经过将活性物质、碳黑和聚偏二氟乙烯（PVDF）以80:10:10的质量比混合制备的，运用N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为溶剂。硬币电池的制作方法与之前描绘的方法类似。在950°C下退火1分钟后，样品在电流密度为50mA g−1时的初始放电容量为163mAh g−1，并逐渐添加到220mAh g−1 [45]。

Li等人选用溶液组成方法组成了Li7P3S11（LPS），这是一种石墨烯涂层的固体电解质。这种电解质在1% GO/LPS下表现出增强的功能和杰出的循环稳定性，特别是处理了固体硫化物电解质的界面稳定性问题[46]。在一项不同的研讨中，GO被用来进步根据聚乙烯醇（PEO）的电解质的机械强度、热稳定性和电化学功能。该电解质表示为LiFePO4//GO-PEO//Li。其明显特点包含在0.5°C时具有142mAh g−1的放电容量，并且在100个周期后坚持率为91%。此外，它能够完结一个稳定的充电和放电循环[47]。

3 石墨烯在锂电池中的效果

为了成功部署根据锂的系统，如航天器的固体燃料、发电站、可充电电源和潜艇等，以及众多其他水性和腐蚀性环境，了解这些系统的氧化和腐蚀特性是必不可少的。经过添加GO，在Li和O2之间创立了一条新的化学途径，进步了氧化效率。此外，跟着系统中GO数量的添加，Li/O2的氧化速率明显进步。研讨标明，暴露的Li在接触到O2和H2O时十分容易受到腐蚀，但涂有石墨烯的Li显现出杰出的耐腐蚀性，这标明石墨烯能够用作潜在的防腐蚀屏障[48-61]。

高容量、便携、牢靠、耐用且充电敏捷的化学电源电池或许会从石墨烯的运用中受益。石墨烯允许智能手机快速充电。例如，锂离子电池或许因为其能够快速充电和存储更多的能量而具有更长的运用寿命。需求携带7.25公斤设备的士兵能够舒适地穿戴它们，因为根据石墨烯的晶体管十分轻便和可曲折。更重要的是，与传统电子设备比较，石墨烯使汽车和飞机变得更轻盈和节能[62]。

石墨烯能够作为电子运动的轨迹，添加电极导电物质和电流收集器之间的电子传输。这能够削减内部电阻并提升锂离子电池的放电功率。石墨烯优异的机械功能也有助于电极资料的稳定性，然后改进了倍率容量和循环稳定性。多层石墨烯片提供了极其有用的屏障，能够抵挡阴离子或其他协同实体对Al3+离子的进犯。经过等离子体增强化学气相堆积方法，这些薄膜能够在商业铝箔上快速且严密地创立。因此，Al3+离子与其他物种发生配位反响的或许性大大下降或或许完全消除[63]。

空心的多层互联多孔框架因为其大表面积和许多孔洞，经过削减离子/电子分散的差异，添加传输速率并增强锂离子的缓冲渗透才能，展示了杰出的电化学功能[64,65]。厚度小于100微米的硫电极，具有快速的反响动力学、低阻抗以及无粘合剂的铝集流体基底，展示了初始容量为1000毫安时每克硫，并且在300个周期后容量坚持率大于70%的电池。根据石墨烯的Li/S电池分别展示了300瓦时每升和500瓦时每千克的体积能量密度和质量能量密度，这些数值与商业上可用的锂电池比较具有竞争力[66]。

关于GO仅作为锂离子电池阴极元素的研讨相当罕见。在不运用任何额外的电流收集器或粘合剂的情况下，GO直接作为锂离子电池的阴极。在进步到6000mA g-1的高电流密度下，具有97.6mAh g-1容量的极富弹性的阴极显现出明显的速率功能。它在1000mA g-1下经过2500次循环后，容量坚持率仍高达约70% [67]。

热失控是锂电池安全性的首要关注点。当电池组件因高温、高充电水平或过充等情况下被滥用时，或许会发生导致热量、火灾或爆破的短路。经过运用二维还原氧化石墨烯（rGO）以及六方氮化硼（h-BN）依赖型纳米复合资料作为高温可充电锂电池的阳极，这一安全问题得到了处理。这些纳米复合资料在150°C下表现出了杰出的高温功能，包含100%的容量坚持率和下降的内部电阻[68]。

对于锂离子电池，均匀分布的钌纳米粒子附着在氮掺杂的还原氧化石墨烯上，导致充电过电位下降（0.51伏），循环才能延长（100次循环，电流密度为100毫安每克），并且明显进步了放电容量（17074毫安时每克）[69]。