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摘要：随着新能源行业的发展，石墨烯在锂离子电池中的应用越来越广泛。本文首先对石墨烯进行了概述，其次对石墨烯在锂离子电池组成中的应用进行了详细阐述，最后针对石墨烯在锂离子电池中的应用进行了展望。
关键词：石墨烯；锂离子电池；应用
1前言
当前，锂离子电池被广泛应用于手机电脑等电子产品，近年来逐渐发展到各种新能源汽车以及一些电子器件等领域。锂离子电池的广泛应用的最主要原因在于其具有很多优点，包括其较高的能量密度、较高频次的充放电以及使用时间很长等。随着锂离子电池的应用领域不断增大，对于提升锂离子电池的相关性能的研究也成为了研究的热点。上世纪末，索尼公司通过对碳材料作为锂离子电池的负极材料进行研究，制备了相关锂离子电池。随后，越来越多的专家学者开始对锂离子电池的低密度和高导电性进行研究，而这其中石墨烯成为关注的热点。石墨烯最早是由国外学者Geim等人制备得到，其具有很多特殊的性能，包括比重低、导电性能优异以及具有良好的增强效果。正是由于石墨烯的这些特殊的性能，因此其被称为可以突破当前锂离子电池的性能瓶颈，因此研究方向越来越广泛。
本文主要对石墨烯在锂离子电池中的应用研究现状进行了阐述，通过对石墨烯进行了介绍，然后阐述了石墨烯具体在锂离子电池的正极、负极以及其他方向中的应用。
2石墨烯概述
石墨烯的基本组成单元是由碳原子组成的六角形，然后组成平面结构。石墨烯的组成结构中，碳碳键的键长为0.141nm，其厚度只有碳原子的直径大小。石墨烯中的碳原子以 sp2杂化方式构成，从而使得其可以让电子进行传递，因此具有优异的导电性。石墨烯也是世界上当前导电性最好的材料，因此具有广泛的应用前景。除了良好的导电性意外，石墨烯还具有很好的导热效果，其导热系数可以达到3000-5000W/（m•K），石墨烯的超强导热效果可以用于相关电子元器件以及电池散热等领域。另外，石墨烯还是一种良好的增强材料，可以被用于制备柔性电极材料。
3石墨烯在锂离子电池中的应用
正是由于石墨烯材料具有这些特殊的性能，因此其可以用于电极材料的开发应用中。在锂离子电池的组成结构中，主要包括正负极材料、电解液以及锂电池隔膜。因此，对于锂离子电池来说，电极材料十分关键。
3.1正极材料
电容量大和稳定对于锂离子电池来说十分重要，而这主要取决于正极材料的制备。当前，正极材料的制备主要偏向于环保、成本低等方向，最为常见的正极材料为磷酸铁锂（LiFePO4）。但是，这种电极材料存在一些缺点，包括电导率差、锂离子迁移率较低等。因此，有必要克服这些缺点，制备出性能优异的正极材料，而石墨烯复合磷酸铁锂则是重要的研究方向。
根据当前的研究报道，石墨烯复合磷酸铁锂材料相关研究还较少。当前，相关研究方向主要是通过水热法将石墨烯复合磷酸铁锂，从而制备得到复合材料，但是这种复合材料的性能不是很突出，主要可能是由于石墨烯的结构受到影响，从而降低了其性能。
3.2负极材料
负极材料对锂离子电池来说也至关重要，其容量的大小、电位高低以及制备工艺等对其有很大影响。当前，常见的锂离子电池的负极材料主要可以分为两大类，第一种是可脱嵌锂离子石墨；第二种是钛酸锂。相对于正极材料而言，石墨烯在锂离子电池负极材料中的研究报道更加广泛。
通过石墨烯制备锂离子电池的负极材料，其具有优异的导电效果，但是其制备工艺较为复杂，主要是由于其微观结构受到影响，从而导致锂离子电池的循环效率低等问题。当前，锂离子电池负极材料的常见碳基材料包括过渡金属以及石墨烯改性的硅基材料等。
通过这些石墨烯复合材料制备负极材料的锂离子电池具有良好的导电性能，且由于其特殊的微观结构，从而可以提升电池内部电荷的传输速率，提升锂离子电池的性能。另外，由于硅元素的存在，可以制备得到Li4.4Si材料，其具有很高的电比容量。Li4.4Si材料不仅具有良好的电性能，而且由于其来源广泛，因此具有很高的发展前景。但是，Li4.4Si材料也存在一些不足，包括在使用过程中，锂离子电池的体积变化严重，因此需要进行改进。一般可以通过纳米碳材料对Li4.4Si进行处理，从而使得锂离子电池的体积变化减缓。通过采用石墨烯表面包覆的方式，可以使得锂离子电池的电池循环性能得以提升。但是，这种制备方式由于工艺较为复杂，因此成本较高，另外由于原料的易燃特性，因此也存在安全问题。
通过采用过渡金属不同价态之间的变换，可以使得锂离子电池的理论容量大大提升，但是这种材料也存在体积效应大等问题。通过将金属氧化物的纳米材料于石墨烯表面进行附着，可以降低粒子间的团聚，从而提升复合材料的性能以及锂离子电池的电容量。学者Bolotin等通过采用氢氧化钴和石墨烯进行复合，结果发现这种氢氧化钴纳米粒子的团聚大大降低，且提升了锂离子电池的比容量。也有报道提出通过碳纳米管/石墨烯来制备复合材料，从而提升锂离子电池的电性能，且取得了一些研究结果。
3.3其他应用
由于石墨烯具有良好的导电效果，因此其可以作为导电填料，从而提升锂离子电池的导电效果。有学者通过将石墨烯加入到硅粒子中，结果发现其导电效果可以达到石墨的效果，且具有良好的充放稳定性。Wang等人通过采用石墨烯作为导电填料，从而制备了石墨复合材料，其采用的原理主要是利用石墨烯的二维结构，从而使得石墨的接触面积提升，增加其导电效果。另外，也有学者研究发现石墨烯可以和LiFePO4进行复配，从而提升其导电性。
石墨烯还具有良好的机械力学性能，因此可以用来制备柔韧性好的锂离子电池。综上所述，石墨烯及其复合材料可以用于制备高性能的锂离子电池相关材料。另外，随着技术的发展，未来石墨烯及其复合材料还可以用于柔性穿戴电子设备。
4总结和展望
石墨烯由于其特殊的微观结构，因此石墨烯及其复合材料在锂离子电池的研究方向中占据重要地位。石墨烯及其复合材料对于锂离子电池复合材料的相关电性能以及使用性能起到其他材料难以替代的作用，未来有望通过其复合材料解决当前锂离子电池难以解决的问题。未来，随着石墨烯及其复合材料在锂离子电池的应用更加广泛，相关研究方向将会更加广泛。然而，尽管石墨烯及其复合材料具有如此多的优势，但是当前仍然存在很多问题还没有解决。当前，国内外很多学者对石墨烯及其复合材料在锂离子电池上的应用进行了研究，主要包括：（1）提升锂离子电池的电荷传递速率，提升自身的电性能，从而可以达到快速充放电的效果；（2）通过将锂离子电池的可逆比容量增加，从而使得锂离子电池的使用寿命得以提升；（3）当前的相关制备工艺成本较高，需要对其进行优化，从而实施工业化生产；（4）开发环境友好的高性能复合材料，提升锂离子电池使用过程中的环保问题，另外还要降低锂离子电池使用过程中的安全问题。
总而言之，石墨烯及其复合材料由于其本身的特殊性能，因此未来在锂离子电池的应用将会占据重要地位，且具有广阔的研究空间。随着科学技术的发展以及对石墨烯及其复合材料的不断研究深入，石墨烯及其复合材料必将发挥更大的价值。
参考文献
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