石墨烯锂离子电池研究进展概述

张振宇，郑茹月，谢珊，唐佳其，许定达

石墨烯锂离子电池研究进展概述

张振宇，郑茹月，谢珊，唐佳其，许定达

（内江师范学院 化学化工学院，四川 内江 641100）

随着人们的日常生活水平不断提高，资源的消耗量也在逐步的增多，由此产生的环境问题也在潜移默化中衍生，而石墨烯作为一种性价比极高且各方面性能均优异的材料，特别是在锂离子电池的研发工作中可以充分发挥它的巨大作用，同时新能源设备的开发能解决由于原本的能源消耗所产生的一系列问题。对石墨烯在锂离子电池中的应用进行了综述，分别从石墨烯、锂离子电池以及其在具体的生产生活中的应用进行了介绍并对未来以及发展前景进行展望。

石墨烯；
锂离子电池；
新型复合材料；
科研应用

随着近年来锂离子电池科研方向的深度进行，作为良好导体的石墨烯也得到了极大的关注以及研究，石墨烯由于其优异的碳结构以及稳定的导电性在各种电动器械以及便携式移动通讯工具中具有极高的应用率。同时相较于同类型导体的硅和碳纳米管，石墨烯拥有极强的导热性和极高的强度，其在锂离子电池中的应用与开发也收到了更大的关注，现阶段随着大众对环境友好型新能源的需求，着手研发性能更加稳定、安全系数更高的新型石墨烯锂离子电池是一个极佳的研究方向。

1.1 石墨烯概述

石墨烯是一种具有良好导电导热性的柔性超薄结构物质，它在锂离子电池导电剂中属于一种非常理想的负极导电材料，同时其奇特的物理及化学性质也备受人们的关注，在目前新能源电池研究处于火热阶段的时期，石墨烯也深受科研人员的研究与开发。

早在2019年王艺璇[1]等人就石墨烯作为锂离子电池负极材料进行了相关研究，他们进行了多孔硅石墨烯制备实验，并且通过分析表征以及电化学性能测试，在得出图像后再通过物相分析以及电化学性能分析得出了不同含量石墨烯在制备多孔硅粉材料中所展现的导电性能的差异。

王振廷[2]等就石墨烯的制备以及石墨烯作为锂离子电池导电剂方向上进行了深度研究，与前辈们不同，他们首先分别制备了石墨烯以及锂离子电池，紧随其后便对他们进行了形貌表征以及电池性能测试，为了使结果更加形象且有对比性，分别用XDR以及AFM进行表征，并通过具体数据图像分析首次充放电性能、循环稳定性、交流阻抗谱以及倍率性能，得出了多孔结构能有效降低体积膨胀率的结论，为后续石墨烯相关研究打好了基础。

赵艳红[3]等则与前面所提及的王艺璇所做的研究相反，他的课题组则是围绕将石墨烯作为锂离子电池正极导电剂进行了相关研究，他们首先根据不同规格石墨烯制作电池并进行性能测试，并对相关样品的石墨烯分散效果分析，在电池电化学性能分析阶段，先后进行了低温放电测试和倍率放电测试，通过得出的折线图及曲线图发现规律从而取得不错的社会效益。

2021年夏童[4]及其课题组研究了磷酸铁锂以及小尺寸石墨烯做电池阴极材料，首先制备了电池以及氧化石墨烯复合材料，然后通过XDR以及形貌进行表征，最后通过循环伏安曲线，交流抗阻分析以及循环性能分析等电化学性能测试得出了SGO的引用能提高电导效率同时提高离子转移速率，从而达到提升性能的效果。

去年底，米盼盼[5]等对碳掺杂石墨烯锚定三氧化二铁用作锂离子电池高性能负极材料进行了相关研究，他们同样是在制备氧化石墨以及碳掺杂石墨烯复合材料之后，对材料进行了表征，然后再进行电池负极片制作以及纽扣电池的组装与测试，最后对样品进行XDR、SEM、TEM、XPS分析, 对比分析得出的折线图发现碳掺杂石墨烯能能显著提升三氧化二铁的性能，在不同电流密度下测试，发现其循环稳定性也更为优异,这也为后续的石墨烯研究奠定了基础。

石墨烯是世界上现阶段已发现的材料中强度最高的一种，相比现目前较为常见的高强度钢铁也是处于上风，同时经过科学家的大量实验发现其在自旋电子材料方面也能有着很好的运用，产生这种现象的主要原因大部分也是因为碳原子的核磁矩已经小到可以忽略的地步，初此之外石墨烯在饱和吸收性以及机械性方面的优势也得到了多数科研人员的认可，其在能源领域、光学领域以及生物医学领域也拥有着极大的用武之地。

1.2 锂离子电池研究进展

锂离子电池是一种能量密度较高同时拥有高电压的轻巧二次电池，在目前全球寻求新能源的大的时代背景下，其在便携式通讯设备以及新型交通工具，其工作电压高、循环寿命长、安全性能好以及充电快速的特点使得其备受各大产业的青睐，由于其现状还属于不太成熟的阶段，因此还存在着回收率以及衰老率等情况，现阶段锂离子电池的研发也处于备受科研人员的关注。

在2019年，肖恩[6]及其团队成员就锂离子电池的电化学性能进行了相关研究，在整个研究阶段中，他们首先进行了复合材料的制备，紧接着就对材料进行了表征，通过多幅具体的表征结果图像，进行对比分析发现复合材料中的碳以及硅的分离会使得电化学性能降低，此外通过材料的电化学结果测试分析得出的具体图像以及散点图并结合所查表格数据得出高能球磨时间对其电化学性能影响极大。

次年方称辉[7]等就锂离子电池多孔硅的制备及性能进行了研究，相比其他人，他们在材料制备过后首先进行了物理表征，然后才进行了电化学性能表征，通过得出的XDR曲线以及其他电化学曲线发现将石墨烯与多孔硅相符合可以抑制体积相对膨胀同时增加导电性，这位锂离子电池的生产起到了促进作用。

孙鹏[8]等将磷化镍作为负极材料并研究了相应的锂离子电池电化学性能，他们在实验过程中运用了更为精密的仪器制备了纳米复合材料然后进行了复杂的电池组装以及样品测试，并对其分别进行XRD、SEM、BET、电化学性能分析以及拉曼分析，通过方能西交流阻抗谱图发现氧化石墨烯的加入可以防止粒子团聚同时缓解反应过程中产生的体积效应。

2021年钱晨亮[9]等对二氧化硅还原石墨烯并作为锂离子电池电池负极材料进行了相关研究，在制备完成样品过后，使用X-射线衍射仪表征样品，样品在高温预处理后在测定相应的含量，他们简化了前辈的实验测试方法，在电化学测试后仅进行了电化学性能表征和结构表征，在得出的散点图中通过更多的公式来进行扩散系数的计算，也在多次计算结果对比过后发现衍生形成的无定形碳层可以使得离子得到更多的扩散，电容量也可以达到更高。

吴启超[10]及其课题组为解决锂离子电池在充放电过程中会出现的体积膨胀情况，在近期研究了碳网封装石墨烯作为锂离子电池负极材料所展现的特性，在合成路线、工作电极制备以及测试方法上均选用了更为复杂的方法，在数据处理以及结果分析上也是将物理与电化学分析相结合，在多种仪器产生的对比图中可以明显观察到升高温度比如使用水热法或者选择高温碳化的方法可以使得锂离子电池的循环更为稳定，这为锂离子电池的研制产生了良好的影响效应。

1.3 锂离子电池应用现状分析

石墨烯锂离子电池因其优异的循环性能以及高容量低密度的特点使得其在各大行业中都有广泛的运用，小到数码相机、剃须刀以及电子手表等，大到电动汽车、智能机器人甚至航天航空等都有着些巨大的运用。各大生产制造厂商以及各个科研团队都在致力于开发和完善锂离子电池，并不断从各个方面对其进行优化和创新。

2020年董丽坤[11]针对石墨烯负载纳米二硫化钴在锂离子电池方面的应用，在材料准备过程中先制备氧化石墨烯，然后将纳米级而氯化钴与之混合以便制备复合材料，然后在电池组装过后便进行测试与表征,将测试所得结果再进行物相分析和形貌分析，其后又进行了电容量测试、循环性能测试以及倍率性能测试，从中得出纳米复合材料的运用会提高电子的传导效率，从而使得锂离子电池的循环性能到达更好的效果。

现阶段，由于电动汽车的不断出现，田晓鸿[12]根据石墨烯在电动汽车锂离子电池的负极材料中的运用进行了相关的研究。在理论上来说石墨烯作为负极材料能更好避免与电解液发生反应的情况发生，同时其电池容量高且输电稳定能更好的保证电动汽车的持续供能。在制备阶段除了非氧化插层以及剪切剥离等还使用了不同的转速进行离心处理使得结果更有说服力。在石墨烯复合材料制备后也在不同的电压下进行了性能测试，经过多次实验发现5％石墨烯量的复合材料更加适合新能源汽车的驱动，这也充分未未来的新能源汽车研制与开发起到了巨大的推动作用。

2021年尹香槟[13]以及其科研团队就过渡金属氧化物在锂离子电池中的应用进行了实验研究，过渡金属氧化物比传统的石墨烯更适合现在的社会需求，属于典型的环境友好型材料，制作难度较易且成本不高，分别通过四种不同的模型结构进行分析与测试，同时为满足人们日益增长的生活需求，在模型构建上也采用了三种模型对比的构建方式，最后发现过渡金属氧化物在电池负极材料中的应用有着巨大的研究前景，这未之后的科研方向提供明确的方向。

由于目前电子元器件的使用以及消耗量巨大，整体发展也非常迅速，李泓[14-20]在之谜石墨烯双层碳在锂离子电池负极实用化上进行了深度研究，其根据电池在工作过程中电极材料的密度以及体积发生的变化进行了具体的对比与思考，同时在电极接触界面也通过实验研究来不断发掘损耗更低，实用性更高的材料用以替换，并通过结合前辈杨全红等的研究成果中发现了一种较为理想的“金刚不坏”外部抗压大，内部缓冲效果好的结构即这种连续的石墨烯网，这为电极的磨损起到了巨大的帮助，也为我们的生产生活起到了巨大的帮助。

在如今严苛的环境局势下，石墨烯作为一种导电性、导热性以及机械强度均极佳的材料，我相信，在未来的研发过程中可以使得锂离子电池达到前所未有的高度，作为电池的负极导体材料极佳选择之一，让国内的新能源汽车层次达到更高的水准，极大缓解原本汽车造成的环境问题，以及资源问题，再通过不断创新研发，使原本的能源消耗以及循环稳定都不断提升，逐步向世界一流水平看齐，在未来的研制中石墨烯与各种优质材料复合形成的新型材料定会为祖国的科技实力更上一个层次。

[1]王艺璇,高波,刘泽昆,等.多孔硅/石墨烯锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能研究[J].功能材料,2019,50(12):12074-12079.

[2]王振廷,王彦霞,张永柯.石墨烯制备及作为锂离子电池导电剂的研究[J].电源技术,2020,44(06):808-811.

[3]赵艳红,吴涛,战祥连,等.石墨烯作为锂离子电池正极导电剂的研究[J].电源技术,2020,44(07):945-947.

[4]夏童,李刚,徐世伟,等.磷酸铁锂/小尺寸石墨烯复合锂离子电池阴极材料的制备及储能特性[J].微纳电子技术,2021,58(05):386-391.

[5]米盼盼,郭明钢,代岩,等.氮掺杂石墨烯锚定Fe2O3用作锂离子电池高性能负极材料的研究[J].现代化工,2021,41(11):138-142.

[6]肖思,谢旭佳,谢雍基,等.锂离子电池硅/石墨烯负极材料的电化学性能[J].硅酸盐学报,2019,47(09):1327-1334.

[7]方称辉,李新喜,张国庆,等.锂离子电池多孔硅/石墨烯复合负极材料的制备及性能研究[J].河南科技,2020,39(29):133-137.

[8]孙鹏,马贤坤,赵佳华,等.磷化镍/氧化石墨烯负极材料的制备及其锂离子电池性能研究[J].化工新型材料,2021,49(05):97-101.

[9]钱晨亮,古飞蛟,金双玲,等.SnO2@C/还原氧化石墨烯的制备及其作为锂离子电池负极材料的性能[J]. 硅酸盐学报, 2022, 50 (05): 1215-1222.

[10]吴启超,孙莞书,雍达明,等.碳网封装Fe3O4/还原氧化石墨烯锂离子电池负极材料[J].化学研究与应用,2022,34(04):856-868.

[11]董丽坤,贾永卿.石墨烯负载纳米二硫化钴的制备及其在锂离子电池方面的应用研究[J].无机盐工业,2020,52(07):55-58.

[12]田晓鸿.石墨烯制备及其在新能源汽车锂离子电池负极材料中的应用[J].粘接,2021,45(01):183-186.

[13]尹香槟,辛明亮,黄国家,等.过渡金属氧化物/石墨烯复合材料在锂离子电池负极材料中的应用[J].化工新型材料,2021,49(08):55-59.

[14] 翟忠伟, 孔雪. 化工园区污水处理工艺技术设计[J]. 辽宁化工, 2022, 51 (03): 335-338.

[15] 宁波材料所与浙江省石墨烯制造业创新中心联合研制出3kW石墨烯基铝燃料电池发电系统[J].有色金属材料与工程, 2018, 39 (06): 56.

[16] 朱果.溶胶凝胶法制备Fe3O4/石墨烯复合材料及其在锂离子电池负极材料中的应用[J].湖南有色金属,2018,34(06):40-45.

[17] 赵建江,徐明生.氧化镁层对石墨烯/硅太阳能电池的界面优化[J].光子学报,2018,47(12):64-70.

[18]谭凤芝,赵艳茹,曹亚峰.MoS2/石墨烯锂离子电池负极材料的制备及其性能[J].化工进展,2017,36(12):4519-4523.

[19] 韩鹏献,姚建华,崔光磊.氧化石墨烯/聚苯胺复合物用于钒液流电池电极材料的研究[J].电池工业,2017,21(5):14-18.

[20] 吉功涛.石墨烯及其复合材料在锂离子电池负极材料中的应用[J].化工管理, 2017(30):89.

Research Progress of Graphene Lithium-ion Batteries

（College of Chemistry and Chemical Engineering, Neijiang Normal University, Neijiang Sichuan 641100, China）

With the continuous improvement of people"s daily life, the consumption of resources is gradually increasing, and the resulting environmental problems are also subtly derived. Graphene, as a material with high cost performance and excellent performance in all aspects, can give full play to its huge role, especially in the research and development of lithium-ion batteries. Meanwhile, the development of new energy equipment can solve a series of problems caused by the original energy consumption. In this paper, the application of graphene in lithium-ion batteries was reviewed, and graphene, lithium-ion batteries and their applications in specific production and life were introduced respectively, and the future and development prospects were prospected.

Graphene; Lithium-ion battery; New composite material; Scientific research application

内江师范学院科技处项目，具有表面微结构的可拉伸电极及其在应力传感器中的应用（项目编号：X20B0014）。

2022-05-30

张振宇（1999-），男，四川南充人。

许定达（1986-），男，讲师，博士，主要从事环境科学方向研究。

TQ03

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1004-0935（2023）01-0098-04

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