都知道石墨烯电池充电快持续用电时间长，但石墨烯电池的原理是什么？你造吗？

　　"绿色"的能量储运体系已成为当前能源领域的关注热点，锂电作为其中重要的一个分支，其性能的提升是科研工作者关注的重点。随着研究的不断发展，高性能锂电电极材料层出不穷。实际应用中，所制备材料性能无法完全发挥是制约其实现高能量密度、高功率密度的关键。石墨烯的高导电性、高导热性、高比表面积、等诸多优良特性，一定程度上对解决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材料方面具有以下优势［1］：

　　1） 石墨烯具有超大的比表面积（2630 m2/g），可降低电池极化，从而减少因极化造成的能量损失。

　　2） 石墨烯具有优良的导电和导热特性，即具备良好的电子传输通道和稳定性。

　　3） 石墨烯片层的尺度在微纳米量级，远小于体相石墨的，这使得Li+在石墨烯片层之间的扩散路径缩短；片层间距的增大也有利于Li+的扩散传输，有利于锂离子电池功率性能的提高。

　　下文主要总结了石墨烯在锂电正负极电极材料中的应用及其优势。

　　1. 石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用

　　石墨烯直接作为锂离子电池负极材料

　　石墨烯直接储锂的优点：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：多层石墨烯材料的层间距离要明显大于石墨的层间距，更有利于锂离子的快速嵌入和脱嵌。大多研究也表明，石墨烯负极的容量有540 mA·h/g左右，但由于其表面大量的含氧基团充放电过程中分解或与Li+发生反应造成电池容量的衰减，其倍率性能也受到较大影响。

　　杂原子的掺杂带来的缺陷会改变石墨烯负极材料的表面形貌，进而改善电极-电解液之间的润湿性，缩短电极内部电子传递的距离，提高Li+在电极材料中的扩散传递速度，从而提高电极材料的导电性和热稳定性。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 后的石墨烯材料可以在较短的时间内进行快速充放电，在快速充放电倍率为25A/g下，电池充满时间为30s［2］。

　　图1 N、B掺杂在石墨烯晶格中的成键结构示意图

　　但石墨烯材料直接作为电池负极仍然存在一些缺点，包括：1）制备的单层石墨烯片层极易堆积，比表面积的减少使其丧失了部分高储锂空间；2）首次库伦效率低，一般低于 70%。由于大比表面积和丰富的官能团，循环过程中电解质会在石墨烯表面发生分解，形成SEI 膜；同时，碳材料表面残余的含氧基团与锂离子发生不可逆副反应，造成可逆容量的进一步下降；3）初期容量衰减快；4）电压平台及电压滞后。因此，为解决存在的这一系列问题，将石墨烯和其他材料进行复合制作成石墨烯基复合负极材料成为现在锂电池研究的热点和锂电负极材料发展的一个方向。

　　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应用前景的锂电池负极材料。过渡金属氧化物有很大的比表面积，具有较高的理论储锂容量（大于600mAh/g）、较长的循环性能以及较好的倍率性能。然而，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材料性能的下降和不稳定。有石墨烯添加的过渡金属氧化物，两种材料优势互补作为锂离子电池的负极材料具有较理想的容量。其优点可归纳为：1） 石墨烯分子可以有效地避免过渡金属氧化物在充放电循环中的团聚；2） 石墨烯可提高过渡金属氧化物材料的电导率，柔韧卷曲的片层结构可以有效地缓解充放电过程中的体积膨胀，从而维持电极材料的稳定；3） 过渡金属氧化物的加入，则有效地避免了石墨烯片层间的团聚，保持了石墨烯材料的高比表面积，其表面的活性位点可提供额外的储锂空间。 石墨烯/Co3O4复合材料是该类复合负极材料的典型代表，缩小Co3O4的尺寸或对石墨烯进行杂原子掺杂可有效提高该类材料的电化学性能。N-掺杂石墨烯材料中吡啶氮和叽咯氮有利于Co3O4的生长，且有利于金属氧化物纳米颗粒的分散从而降低石墨烯的含氧量，避免了不可逆副反应的发生，从而使首次充放电库伦效率提高［3］。

　　图2 Co3O4/NMEG 复合材料制备示意图

为避免粘结剂、集流体的使用影响材料的导电性及容量性能，有研究者将直接生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，生长在石墨烯薄片上的MnO2 骨架呈花瓣状，复合材料拥有更大的比表面积。增大了电极与电解液间有效的接触面积的同时在充放电过程中可提供更多的活性位点，从而使其容量性能、倍率性能以及循环性能都有了大