“绿色”的能量储运系统已成为当时动力范畴的重视热门，锂电作为其间重要的一个分支，其功能的进步是科研工作者重视的要点。跟着研讨的不断开展，高功能锂电电极资料层出不穷。实践运用中，所制备资料功能无法彻底发挥是限制其完成高能量密度、高功率密度的要害。石墨烯的高导电性、高导热性、高比外表积、等许多优秀特性，必定程度上对处理该问题有着非常重要的理论和工程价值。石墨烯在用作锂离子电池正负极资料方面具有以下优势［1］：
1） 石墨烯具有超大的比外表积（2630 m2/g），可下降电池极化，然后削减因极化构成的能量丢失。
2） 石墨烯具有优秀的导电和导热特性，即具有杰出的电子传输通道和安稳性。
3） 石墨烯片层的标准在微纳米量级，远小于体相石墨的，这使得Li+在石墨烯片层之间的涣散途径缩短；片层间隔的增大也有利于Li+的涣散传输，有利于锂离子电池功率功能的进步。
下文首要总结了石墨烯在锂电正负极电极资猜中的运用及其优势。
1. 石墨烯在锂离子电池负极资猜中的运用
石墨烯直接作为锂离子电池负极资料
石墨烯直接储锂的长处：1） 高比容量：锂离子在石墨烯中具有非化学计量比的嵌入−脱嵌，比容量可达700~2000 mAh/g；2） 高充放电速率：多层石墨烯资料的层间隔离要显着大于石墨的层间隔，更有利于锂离子的快速嵌入和脱嵌。大多研讨也标明，石墨烯负极的容量有540 mA·h/g左右，但因为其外表很多的含氧基团充放电过程中分化或与Li+发生反响构成电池容量的衰减，其倍率功能也遭到较大影响。
杂原子的掺杂带来的缺点会改动石墨烯负极资料的外表描摹，然后改进电极-电解液之间的潮湿性，缩短电极内部电子传递的间隔，进步Li+在电极资猜中的涣散传递速度，然后进步电极资料的导电性和热安稳性。例如掺杂的N、B原子可使石墨烯的结构发生形变（图1），在50 mA/g倍率下充放电，容量为1540 mAh/g，且掺杂N、B 后的石墨烯资料能够在较短的时刻内进行快速充放电，在快速充放电倍率为25A/g下，电池充溢时刻为30s［2］。
图1 N、B掺杂在石墨烯晶格中的成键结构示意图
但石墨烯资料直接作为电池负极依然存在一些缺点，包含：1）制备的单层石墨烯片层极易堆积，比外表积的削减使其丧失了部分高储锂空间；2）初次库伦功率低，一般低于 70%。因为大比外表积和丰厚的官能团，循环过程中电解质会在石墨烯外表发生分化，构成SEI 膜；一起，碳资料外表剩余的含氧基团与锂离子发生不可逆副反响，构成可逆容量的进一步下降；3）初期容量衰减快；4）电压渠道及电压滞后。因而，为处理存在的这一系列问题，将石墨烯和其他资料进行复合制作成石墨烯基复合负极资料成为现在锂电池研讨的热门和锂电负极资料开展的一个方向。
石墨烯与过渡金属氧化物复合
过渡金属氧化物是具有广泛运用远景的锂电池负极资料。过渡金属氧化物有很大的比外表积，具有较高的理论储锂容量（大于600mAh/g）、较长的循环功能以及较好的倍率功能。但是，过渡金属氧化物的低电导率以及Li+在嵌入和脱嵌过程中引起的体积效应导致其作为锂离子电池负极资料功能的下降和不安稳。有石墨烯增加的过渡金属氧化物，两种资料优势互补作为锂离子电池的负极资料具有较抱负的容量。其长处可概括为：1） 石墨烯分子能够有用地防止过渡金属氧化物在充放电循环中的聚会；2） 石墨烯可进步过渡金属氧化物资料的电导率，柔韧弯曲的片层结构能够有用地缓解充放电过程中的体积胀大，然后坚持电极资料的安稳；3） 过渡金属氧化物的参加，则有用地防止了石墨烯片层间的聚会，坚持了石墨烯资料的高比外表积，其外表的活性位点可供给额定的储锂空间。 石墨烯/Co3O4复合资料是该类复合负极资料的典型代表，缩小Co3O4的尺度或对石墨烯进行杂原子掺杂可有用进步该类资料的电化学功能。N-掺杂石墨烯资猜中吡啶氮和叽咯氮有利于Co3O4的成长，且有利于金属氧化物纳米颗粒的涣散然后下降石墨烯的含氧量，防止了不可逆副反响的发生，然后使初次充放电库伦功率进步［3］。
图2 Co3O4/NMEG 复合资料制备示意图
为防止粘结剂、集流体的运用影响资料的导电性及容量功能，有研讨者将直接成长在泡沫状石墨烯纳米模板上的MnO2纳米薄片制成电极，用作锂电负极［4］。由图3可看出，成长在石墨烯薄片上的MnO2 骨架呈花瓣状，复合资料具有更大的比外表积。增大了电极与电解液间有用的触摸面积的一起在充放电过程中可供给更多的活性位点，然后使其容量功能、倍率功能以及循环功能都有了大幅度的进步。在500 mA/g 的电流密度下循环300次后，容量为1200 mAh/g。
图3 彼此衔接的MnO2NFs@GF 结构充放电行为示意图
石墨烯与硅基、锡基资料复合
硅基、锡基资料具有很高的理论比容量，但Li+在其间嵌入、脱出时，电极资料体积改动显着，重复充放电后电极资料简单粉化掉落，然后下降电池容量。
关于SnO2来说，碳纳米资料的报复可有用处理其体积胀大的问题，且阻挠资料纳米颗粒聚会的一起进步了资料导电性，然后发挥出高容量的潜能。例如石墨烯包覆夹层结构SnO2资料［5］，其共同的“三明治”结构进步了电极资料的安稳性且能最大化运用SnO2分子的比外表积，防止了SnO2分子的聚会，缓解了体积胀大。石墨烯夹层的引进加强了纳米分子间的彼此联络，然后防止了导电增加剂和粘结剂的运用。石墨烯/SnO2球状颗粒复合资料的初次放%&&&&&%量为1247 mAh/g，较石墨烯/SnO2纳米片层资料进步了41.06%。
图4 夹层状石墨烯包覆SnO2 球体组成流程示意图
硅基类资料的理论比容量高达4200 mAh/g，其较低的放电电压渠道，高天然储量，使其成为具有极好运用远景的负极资料。但其在充放电过程中体积效应严峻，构成资料的循环安稳性差。同锡基资料相似，石墨烯的引进可有用操控硅基资料的体积胀大，使Si 负极资料倍率功能得到必定的改进。
石墨烯包覆纳米硅（GS-Si）复合资料不只容量高，并且具有较好的循环功能。从其扫描电镜及透射电镜图中能够看到，石墨烯构成具有内部空腔的三维立体导电网络，将硅粉很好地包裹在其内部空腔内。该资料在200 mA/g 电流密度下进行恒流充放电测验，30次循环后容量仍能坚持在1502 mAh/g，容量坚持率高达98%［6］。
图5 浴花形石墨烯包覆纳米硅（GS-Si）复合资料扫描电镜图及透射电镜图
但石墨烯资料的化学慵懒使得其与Si基资料之间的作用力很弱，在经过数次的充放电循环后，Si-C结构会呈现了粉化和坍塌。有研讨发现石墨烯中那些因为晶体成长、高能粒子炮击或化学处理所发生的单空位缺点、双空位缺点以及Stone-Wales 缺点能够大幅度进步石墨烯/Si分子间的结合能，使复合资料的安稳性更好。故意地制作这类缺点会进步石墨烯资料与Si之间的结合力，并且空位缺点能够供给额定的储锂活性位点，然后更好地进步电极资料的容量。另一种处理这一问题的办法是在Si分子、石墨烯片层间成长纳米碳，这种办法使得石墨烯纳米片和Si 基间搭建了安稳的导电桥梁，这种安稳的导电网络结构既削减了Li+嵌入、脱出过程中发生的体积效应，防止电极资料的破碎，又坚持了SEI 膜的安稳性，在充放电过程中防止了过高的容量衰减，对Si基资料容量的进步有很大协助。
2. 石墨烯复合正极资料
石墨烯与聚阴离子型正极资料的复合
尖晶石型的LiMn2O4以及橄榄石型的LiFePO4是现在实践运用较为广泛的锂电池正极资料。但这类资料的电子传导性差、Li+搬迁过慢、大倍率充放电下电极与电解液间的电阻率大。一些研讨中，引进石墨烯资料为处理这些问题带来了可行的途径。运用石墨烯改性的LiFePO4和LiMn2O4，电子的传导率和倍率功能有了显着进步。首要原因是石墨烯资料的运用大大缩短了锂离子在正极资猜中的涣散途径，一起复合资料内部的高空地率也为锂离子供给了很多的可嵌入空间，储锂容量和能量密度得到进步。例如，碳包覆LiFePO4/石墨烯纳米晶片（图6）在17 mA/g 的电流密度下充放电循环100 次后，可逆储锂容量为158 mAh/g，库伦功率高于97%。在60C下充放电后的可逆容量为83 mAh/g，该资料的倍率功能很优异［7］。
图6 C-LFP/GNs 复合资料组成机理示意图
石墨烯与钒系资料复合
钒系资料作为锂电池正极资料本钱低价、电化学活性较高、能量密度高，遭到了广泛的重视和很多工作者的深化研讨。但是，钒系资料倍率功能较差、电荷转移电阻较高以及晶体结构简单粉化等缺点限制其在实践运用范畴的开展。
其间VO5理论比容量（440 mAh/g）远高于现在商业化的锂离子电池的正极资料，是具有很大潜力的锂离子电池的正极资料。将VO5纳米颗粒与石墨烯复合来处理钒系资料电导率低、锂离子传输速率慢的的研讨较多。引进石墨烯资料一起能够有用地处理其纳米颗粒之间聚会问题，然后更有用地发挥VO5原有的高容量潜力。V2O5是另一种备受重视的钒系资料，与VO5原理相同，石墨烯的引进相同能够进步其倍率功能。V2O5量子点/石墨烯纳米复合资料（VQDG），如图7所示。在电流密度为50、100、200、500 mA/g 充放电检测，容量坚持率分别为100%、96.92%、89.16%以及65.72%［8］。
图7 VQDG 制备流程示意图
3. 总结与展望
关于锂电的负极资料而言，过渡金属氧化物或具有远景的Si基资料进行石墨烯掺杂后在比容量、电压特性、内阻、充放电功能、循环功能、倍率功能等电化学功能方面现已体现出了优异的特性。石墨烯基中杂原子掺杂引进了更多的外表缺点，进步石墨烯资料的电导率，得复合资料具有更优秀的功能。锂电正极资料相似，引进石墨烯资料到锂离子电池正极资料系统能够进步正极资料的电导率，维护正极资料防止粉化、坍塌，按捺正极资料的溶解。
石墨烯在锂电电极资料展示的优势是该范畴较为重视的一个方面，为使电极资料功能发挥其自身具有的高容量潜力该办法将是较为可行的办法。在完成大规模工业化出产单层或几层石墨烯资料后，石墨烯将在锂电范畴大展拳脚。就现在的研讨现状而言，进步锂电的功率、容量功能一方面应该加强开发具有高容量特性的新资料系统；另一方面，可经过构建合理的资料结构，如经过对资料的尺度、描摹、外表缺点等的调控改动资料的电化学功能，当然电极资料自身的微观结构以及复合资料间彼此作用怎么影响资料电化学功能有待更深化的研讨。
