1.      石墨烯在鋰離子電池負極材料中的應(yīng)用

文獻把石墨烯作為鋰電池負極材料，當采用50mA/g的電流密度充放電時，該石墨烯電極材料的比容量為540mAh/g；再經(jīng)20次循環(huán)后，容量發(fā)生一定程度的衰減。研究發(fā)現(xiàn)，這可能與材料中石墨烯片層的排列方式未得到優(yōu)化有關(guān)。以石墨烯紙作為鋰離子電池負極材料時，循環(huán)性能就不太理想，首次循環(huán)之后，比容量就下降到100mAh/g以下(充放電電流密度50mA/g)。文獻等采用熱膨脹氧化石墨法制備的石墨烯，將其應(yīng)用于鋰離子電池負極材料中。當采用1mA/g的電流密度充放電時，其比容量可達554mAh/g。更為驚喜的是，他們發(fā)現(xiàn)如果在其中摻入C₆₀和碳納米管后，其比容量可高達784mAh/g。研究證明，石墨烯材料雖具有非常高的鋰離子擴散速率，作為鋰電池負極材料時，首次可逆比容量較高，但經(jīng)過幾次循環(huán)后，容量衰減嚴重，并且充放電曲線滯后嚴重，因此很難單獨作為電極材料使用。而石墨烯獨特的柔性結(jié)構(gòu)若與高容量金屬或氧化物粒子復合用作負極材料則具有得天獨厚的優(yōu)勢。

2.  石墨烯基復合材料在鋰離子電池負極材料中的應(yīng)用進展

目前，用于鋰離子電池負極材料的石墨烯基復合材料的研究也有很多，主要有金屬、金屬氧化物和碳納米管等與石墨烯的復合，大大提高了鋰電池的電化學性能和循環(huán)性能。

2.1 金屬基石墨烯復合材料

Zhao等制備了具有多孔結(jié)構(gòu)的Si-Graphene復合材料，在8A/g時達1100mAh/g，此速率相當于在8min之內(nèi)就可以完全放電；在1A/g時比容量高達到3200mAh/g，相當于鋰電池經(jīng)150次循環(huán)后，比容量保持效率仍能達到99.9%。Liang等采用熱液合成及熱處理的方法把涂覆碳的錫質(zhì)材料嵌入石墨烯中合成Sn@C-Graphene 復合材料，該材料大約為50～200nm，當電流密度分別為100、1000mA/g時，100次循環(huán)之后比容量保持分別為662、417mAh/g。這是由于該復合材料擁有石墨烯和碳的雙重結(jié)構(gòu)特征，可以很好地抑制金屬錫的體積膨脹并阻止粉狀錫的團聚，因此具有優(yōu)越的循環(huán)性能和高的充放電速率。此復合材料被認為是未來鋰離子電池負極材料的最佳候選者之一。

2.2 金屬氧化物基石墨烯復合材料

Zhong等用化學合成法制備了SnO2-Graphene納米復合材料。把SnO2-Graphene復合材料在鋰電池中進行恒電流充放電循環(huán)試驗，SnO2-Graphene復合材料在經(jīng)過200次循環(huán)后，可逆比容量達到665mAh/g，衰減的程度很小，大大提高了鋰電池的循環(huán)性能。這是由于SnO₂-graphene 復合材料三維的柔性結(jié)構(gòu)決定的，所以SnO₂-Graphene復合材料被認為是頗具希望的鋰電池負極材料。

Wang等人用原溶液混合法在回流條件下制備了Co₃O₄-Graphene納米復合材料，把Co₃O₄-Graphene復合材料在鋰電池中進行恒電流充放電循環(huán)試驗，Co₃O₄-Graphene復合材料的存儲比容量可達到722mAh/g，比之前文獻報道的純石墨烯和純Co₃O₄要高很多。在進行第二次循環(huán)后，可逆存儲比容量也達到795mAh/g。因此Co₃O₄-Graphene復合材料也成為頗具潛力和美好前景的鋰電池負極材料。

Xue用熱液法制備了αFe₂O₃-Graphene納米復合材料，它的可逆比容量在充電速率為C/10時達到771mAh/g。在經(jīng)過30次循環(huán)后仍可達到73%。這些性能歸因于石墨烯的高導電性和離子電導率、大的比表面積、優(yōu)異的機械性能，以及與α-Fe₂O₃的合成作用。因此Fe₂O₃-Graphene復合材料會成為鋰電池負極材料很好的選擇。

除此之外，Yoo 等研究發(fā)現(xiàn)，當在石墨烯納米片層中摻入大分子的CNTs和C₆₀后，其比容量分別提高到730mAh/g和784mAh/g，鋰電池的電化學性能和循環(huán)性能均得到一定的提高。所以，目前對石墨烯基納米復合材料的研究掀起了一股新的熱潮。如何使鋰電池的充放電速率更快，使鋰電池在經(jīng)過多次充放電循環(huán)后，容量衰減程度減小，也成為了新的問題和研究熱點。

3.  結(jié)語

石墨烯具有諸多優(yōu)點而為高性能負極材料性能的提升提供了可能。本文提及的各種制備方法，各有優(yōu)缺點。如何完善高質(zhì)量石墨烯的制備技術(shù)，尋找出一種可控、大規(guī)模的石墨烯制備方法，并制備出性能優(yōu)異的石墨烯基復合材料，是當前研究的重點。而且，若石墨烯基電極材料在高能量密度、高功率密度要求的動力鋰離子電池領(lǐng)域獲得應(yīng)用，必將大大提升動力電池的綜合性能，推動電動車、電動工具等領(lǐng)域的發(fā)展。