石墨烯與聚陰離子型正極材料的復(fù)合
2. 石墨烯復(fù)合正極材料
石墨烯與聚陰離子型正極材料的復(fù)合
尖晶石型的LiMn2O4以及橄欖石型的LiFePO4是目前實(shí)際應(yīng)用較為廣泛的鋰電池正極材料。但這類(lèi)材料的電子傳導(dǎo)性差、Li+遷移過(guò)慢、大倍率充放電下電極與電解液間的電阻率大。一些研究中，引入石墨烯材料為解決這些問(wèn)題帶來(lái)了可行的途徑。使用石墨烯改性的LiFePO4和LiMn2O4，電子的傳導(dǎo)率和倍率性能有了明顯提升。主要原因是石墨烯材料的使用大大縮短了鋰離子在正極材料中的擴(kuò)散路徑，同時(shí)復(fù)合材料內(nèi)部的高空隙率也為鋰離子提供了大量的可嵌入空間，儲(chǔ)鋰容量和能量密度得到提升。例如，碳包覆LiFePO4/石墨烯納米晶片（圖6）在17 mA/g 的電流密度下充放電循環(huán)100 次后，可逆儲(chǔ)鋰容量為158 mAh/g，庫(kù)倫效率高于97%。在60C下充放電后的可逆容量為83 mAh/g，該材料的倍率性能很優(yōu)異[7]。
石墨烯與釩系材料復(fù)合
釩系材料作為鋰電池正極材料成本低廉、電化學(xué)活性較高、能量密度高，受到了廣泛的關(guān)注和大量工作者的深入研究。然而，釩系材料倍率性能較差、電荷轉(zhuǎn)移電阻較高以及晶體結(jié)構(gòu)容易粉化等缺陷制約其在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。
其中VO5理論比容量(440 mAh/g)遠(yuǎn)高于現(xiàn)在商業(yè)化的鋰離子電池的正極材料，是具有很大潛力的鋰離子電池的正極材料。將VO5納米顆粒與石墨烯復(fù)合來(lái)解決釩系材料電導(dǎo)率低、鋰離子傳輸速率慢的的研究較多。引入石墨烯材料同時(shí)可以有效地解決其納米顆粒之間團(tuán)聚問(wèn)題，從而更有效地發(fā)揮VO5原有的高容量潛力。V2O5是另一種備受關(guān)注的釩系材料，與VO5原理相同，石墨烯的引入同樣可以提高其倍率性能。V2O5量子點(diǎn)/石墨烯納米復(fù)合材料(VQDG)，如圖7所示。在電流密度為50、100、200、500 mA/g 充放電檢測(cè)，容量保持率分別為100%、96.92%、89.16%以及65.72%[8]。
3. 總結(jié)與展望
對(duì)于鋰電的負(fù)極材料而言，過(guò)渡金屬氧化物或具有前景的Si基材料進(jìn)行石墨烯摻雜后在比容量、電壓特性、內(nèi)阻、充放電性能、循環(huán)性能、倍率性能等電化學(xué)性能方面已經(jīng)表現(xiàn)出了優(yōu)異的特性。石墨烯基中雜原子摻雜引入了更多的表面缺陷，提高石墨烯材料的電導(dǎo)率，得復(fù)合材料擁有更優(yōu)良的性能。鋰電正極材料類(lèi)似，引入石墨烯材料到鋰離子電池正極材料系統(tǒng)可以提高正極材料的電導(dǎo)率，保護(hù)正極材料避免粉化、崩塌，抑制正極材料的溶解。
石墨烯在鋰電電極材料展現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)是該領(lǐng)域較為關(guān)注的一個(gè)方面，為使電極材料性能發(fā)揮其本身具有的高容量潛力該方法將是較為可行的方法。在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)單層或幾層石墨烯材料后，石墨烯將在鋰電領(lǐng)域大展拳腳。就目前的研究現(xiàn)狀而言，提高鋰電的功率、容量性能一方面應(yīng)該加強(qiáng)開(kāi)發(fā)具備高容量特性的新材料體系；另一方面，可通過(guò)構(gòu)建合理的材料結(jié)構(gòu)，如通過(guò)對(duì)材料的尺寸、形貌、表面缺陷等的調(diào)控改變材料的電化學(xué)性能，當(dāng)然電極材料本身的微觀結(jié)構(gòu)以及復(fù)合材料間相互作用如何影響材料電化學(xué)性能有待更深入的研究。
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