【重磅独家】石墨烯十年规划独家解读：石墨烯与锂离子电池

根据上一次的投票结果，Graphene石墨烯快讯会首先给大家带来石墨烯十年规划解读之一，石墨烯与锂离子电池。相信这也是最近比较火的话题之一了，而且大家最关心的首选。未来，Graphen石墨烯快讯会更多的带给大家石墨烯的故事。谢谢支持！

技术概述

当今世界，能源储存和转化是很重要的一部分课题。尤其能源危机和环境危机，带给全球十分严峻的挑战，同时也带给科技发展的动力。能源可以存在于不同的形态当中，对应有着不同的应用。储能的传统电池、电容器和燃料电池已经被研究了超过一个世纪。可移动的储能设备不仅仅可以用于可移动设备，比如手机和智能穿戴电子上，也能用于交通（电动汽车等）以减少人类对于化石能源的依赖。目前人类使用最多的就是传统电池（镍钴和锂电池等）以及电化学电容器，燃料电池也慢慢的进入人类的视野。但是，这些技术要想实现高储能的目标，目前仍有不少的路要走。

下图是D.A. Ragone做出的一个各种储能器材的性能曲线:

从曲线中可以看出，电容器有很高的功率但是只能用于低于10毫秒的应用，如果需要长时间工作的话（大于100秒），电池仍然是首选。这也是目前许多设备都使用电池而不是电容器的原因。电容器的优点还在于因为是物理变化充放电可多次进行理论上不会影响寿命，但是因为电池使用化学变化，因此有一定充放电循环的次数上限。

目前，锂离子电池已经是电池行业的主要组成部分，广泛应用于电子设备甚至是电动汽车的重要组成，锂离子电池也被认为是能够和石墨烯组成复合系统，提高性能的最主要的候选。锂离子电池由LiCoO₂组成阴极，由石墨组成阳极。因此，锂离子电池的储能性能主要依赖于阴极和阳极的物理和化学性能。

阳极改进

石墨作为阳极材料，其理论容量只能达到372 mA h g^?1，因此成为电池发展的限制因素之一。硅和锡目前在研究阶段被认为是石墨的很好的替代材料，其理论容量分别是4200 mA h g^?1和994 mA h g^?1。但是，他们两者的循环充电性能（在电池低于性能标准，通常60%，之前的充放电循环次数）都比较不理想。这主要是因为，阳极材料需要在锂电池充放电的过程中捕获和释放大量的锂离子，这会给硅和锡两种材料带来很大的体积变化，重复性的过程容易使材料性能遭到破坏。

高表面的还原氧化石墨烯曾被研究用于锂离子（阳极）储存。另外，一些金属氧化物，比如SnO₂，被研究用来和石墨烯一起形成复合材料来改善阳极的比容量和循环稳定性。所以石墨烯更多的用来和其他材料一起形成纳米结果的复合物结构，来改善电极性能。目前，有研究发现Cu上生长的石墨烯片状墨水（ink）可以使得比容量达到1500 mA h g^?1，电流输出约100 mA g^-1。循环150次都不会很大的影响整体性能。

阴极改进

作为储存锂离子的重要形式，阴极材料主要是LiCoO₂和LiNiCoAlO₂（特斯拉电池），其重量占据电池的很大的一部分。改善电池性能的很重要的一部分是减轻电池的重量，所以这也是目前阴极材料方面的研究主要集中在利用新的轻金属来替代贵金属的原因（比如有传言称，台湾太子汽车要涉足锂离子电池领域，目前正在研发更轻质的阴极材料）。然而，阴极材料不易被替换，因其需要极其苛刻的条件，比如高电位、结构稳定性以及能否包容锂在结构中。

许多氧化金属都被拿来研究，以检测其是否可用于电极材料。但是目前仍被缓慢的锂离子扩散率所限制。学者和许多公司的研发部门因此将目光转向研究锂离子以及电子迁移，用纳米孔洞和纳米结构来提高锂离子的迁移率以及缩短锂离子在电解液中的迁移路径。很多方法可以用于提高电子迁移率，比如在电极材料上涂抹炭黑，有消息称苹果公司正在利用碳纳米管来涂膜电极，增加导电率，未来的苹果公司产品中即将利用这一类型的锂离子电池。因此，在这方面的应用里，石墨烯应该说是一种很有希望的材料，因为石墨烯的电阻极低，电导率高，而且易分散，可有效用于涂层。另一方面，石墨烯具有很高的表面积（理论每克石墨烯可展开至2630平方米），使用石墨烯将比其他材料具备明显更大的优势：其接触面积更高，更利于电极反应。

石墨烯和金属氧化物的复合系统里，VO₅，可以用于阴极材料可以用来制造柔性薄膜锂离子电池。石墨烯可以充当柔性电流收集器，替代传统的Al，提供更高的体积计容量，电化学稳定性和机械柔性。

未来方向

关于锂离子电池，未来的方向应该集中在石墨烯涂层加强的锂离子氧化电极、石墨烯纳米复合物层状结构加入锂离子的嵌入层间以提高充放电过程中的形态保持以及石墨烯-硅复合物电极（美国加州一家初创锂电池公司主要发展这一方向）。长久的目标应该是发展全新的Li-O₂（氧）电池概念，这一概念主要是利用锂在阳极的氧化和在阴极的还原来产生电流。这一概念非常有前景因为锂相对于氧气有很高的能量密度（~3500 Wh kg^-1），比常规锂电池能高出一个量级。

石墨烯可以用于多种储能系统，因此要充分利用石墨烯的优秀的表面体积比。前阵子比较火热的“油炸石墨烯“，之所以有希望提高电池电极性能，是因为油炸结构使得二维层状变成了三维立体，又类似于多孔的结构。

其他方案

过渡金属二硫属化物、氧化物以及氢氧化物都是锂离子电池的可替代材料。这些材料都允许锂离子的无形态变化的释放和吸收，有些材料甚至可以提高很大的导电性，比如MoS₂和TiS₂。但是，这些材料的研究正在初级阶段，希望未来会有些突破。

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