石墨烯在锂离子电池负极材料中的使用以及前景

石墨烯在锂离子电池负极材料中的使用

石墨烯作为锂离子电池负极材料，当采用50mA/g的电流密度充放电时，该石墨烯电极材料的比容量为540mAh/g；再经20次循环后，容量发生一定程度的衰减。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳出产、能源、生物医学和药物传递等方面具有紧要的使用前景，无论是轻薄、硬度、导热、导电，都是所有材料之最，被认为是一种将来革命性的材料。

研究发现，这可能与材料中石墨烯片层的排列方式未得到优化有关。以石墨烯纸作为锂离子电池负极材料时，循环性能就不太理想，首次循环之后，比容量就下降到100mAh/g以下(充放电电流密度50mA/g)。文献等采用热膨胀氧化石墨法制备的石墨烯，将其使用于锂离子电池负极材料中。当采用1mA/g的电流密度充放电时，其比容量可达554mAh/g。

更为欣喜的是，发现倘若在其中掺入C60和碳纳米管后，其比容量可高达784mAh/g。研究证明，石墨烯材料虽具有非常高的锂离子扩散速率，作为锂离子电池负极材料时，首次可逆比容量较高，但经过几次循环后，容量衰减严重，并且充放电曲线滞后严重，因此很难单独作为电极材料使用。而石墨烯神奇的柔性结构若与高容量金属或氧化物粒子复合用作负极材料则具有得天独厚的优点。

锂离子电池负极材料石墨烯的使用现状及前景

近年来由于新能源汽车的快速发展，对动力锂离子电池需求飞速提升，全球动力锂离子电池在锂离子电池产量中的占比由2014年的14%快速提升到2015年的28%；而我国动力锂离子电池在锂离子电池产量中的占比也由2014年的19%快速提升到2015年的36%。

锂离子电池产业可以分为上游的矿产资源、中游的原材料、产品制造与组装、下游的使用三大领域。在产业链的环节中，锂离子电池隔膜制造环节的毛利率是最高的。负极材料技术是最成熟的，其中石墨系负极材料仍是主流。

仍技术角度来看，将来锂离子电池负极材料将会呈现出多样性的特点。随着技术的迚步，目前的锂离子电池负极材料已经仍单一的人造石墨发展到了天然石墨、中间相碳微球、人造石墨为主，软碳/硬碳、无定形碳、钛酸锂、硅碳合金等多种负极材料共存的局面。

天然石墨负极材料技术有了较大的迚步，其可逆容量已达360mAh/g以上，在消费型锂离子电池中获得了广泛的使用。预计在将来的小型电池中，高容量电池仍将以天然石墨为主。人造石墨负极材料当前的使用非常广泛，其优势是长寽命，较低的极片反弹，而缺点是容量相对较低。目前在人造石墨的技术改迚使得人造石墨也可以发挥350mAh/g的可逆容量。将人造石墨与天然石墨复合作为锂离子电池负极材料也已被许多电池厂家所认可。软/硬碳、无定形碳、钛酸锂、金属合金、硅碳合金等新型负极材料目前已经处于试用阶段，可能在将来几年里会逐步产业化。新型的负极材料虽然有其特殊的优点，但技术依然不成熟。

现阶段，石墨材料是负极材料的主流，将来石墨烯、钛酸锂、硅碳复合材料将来其良好发展前景。从2015年全球锂离子电池负极材料消费结极来看，天然石墨、人造石墨、中间相炭碳微球及钛酸锂、软碳与硬碳、非碳材料占比分别为55.0%、35.0%、7.4%、1.7%、0.8%，我国锂离子电池负极材料消费结极来看，天然石墨、人造石墨、中间相碳微球和钛酸锂占比分别为36%、53%、11%。

我国3C消费品范畴中，手机与微型计算机占据了绝大部分市场，因此在此我们紧要讨论近年来手机与微型计算机的市场情冴。在经历了2009~2010年智能手机的爆发式上升后，国内手机产量基本保持在10%以上的年均增速平稳上升；且由于2009年智能手机带动平板电脑等便携设备的发展，微型计算机产量也在经历2010年前后的爆发后回落。不过总体来说3C电子市场近几年保持了相对平稳的上升，可以预期将来持续保持低增速的发展态势。