石墨烯與聚陰離子型正極材料的復合

2. 石墨烯復合正極材料
石墨烯與聚陰離子型正極材料的復合
尖晶石型的LiMn2O4以及橄欖石型的LiFePO4是目前實際應用較為廣泛的鋰電池正極材料。但這類材料的電子傳導性差、Li+遷移過慢、大倍率充放電下電極與電解液間的電阻率大。一些研究中，引入石墨烯材料為解決這些問題帶來了可行的途徑。使用石墨烯改性的LiFePO4和LiMn2O4，電子的傳導率和倍率性能有了明顯提升。主要原因是石墨烯材料的使用大大縮短了鋰離子在正極材料中的擴散路徑，同時復合材料內部的高空隙率也為鋰離子提供了大量的可嵌入空間，儲鋰容量和能量密度得到提升。例如，碳包覆LiFePO4/石墨烯納米晶片（圖6）在17 mA/g 的電流密度下充放電循環100 次后，可逆儲鋰容量為158 mAh/g，庫倫效率高于97%。在60C下充放電后的可逆容量為83 mAh/g，該材料的倍率性能很優異[7]。

石墨烯與釩系材料復合
釩系材料作為鋰電池正極材料成本低廉、電化學活性較高、能量密度高，受到了廣泛的關注和大量工作者的深入研究。然而，釩系材料倍率性能較差、電荷轉移電阻較高以及晶體結構容易粉化等缺陷制約其在實際應用領域的發展。

其中VO5理論比容量(440 mAh/g)遠高于現在商業化的鋰離子電池的正極材料，是具有很大潛力的鋰離子電池的正極材料。將VO5納米顆粒與石墨烯復合來解決釩系材料電導率低、鋰離子傳輸速率慢的的研究較多。引入石墨烯材料同時可以有效地解決其納米顆粒之間團聚問題，從而更有效地發揮VO5原有的高容量潛力。V2O5是另一種備受關注的釩系材料，與VO5原理相同，石墨烯的引入同樣可以提高其倍率性能。V2O5量子點/石墨烯納米復合材料(VQDG)，如圖7所示。在電流密度為50、100、200、500 mA/g 充放電檢測，容量保持率分別為100%、96.92%、89.16%以及65.72%[8]。

3. 總結與展望
對于鋰電的負極材料而言，過渡金屬氧化物或具有前景的Si基材料進行石墨烯摻雜后在比容量、電壓特性、內阻、充放電性能、循環性能、倍率性能等電化學性能方面已經表現出了優異的特性。石墨烯基中雜原子摻雜引入了更多的表面缺陷，提高石墨烯材料的電導率，得復合材料擁有更優良的性能。鋰電正極材料類似，引入石墨烯材料到鋰離子電池正極材料系統可以提高正極材料的電導率，保護正極材料避免粉化、崩塌，抑制正極材料的溶解。

石墨烯在鋰電電極材料展現的優勢是該領域較為關注的一個方面，為使電極材料性能發揮其本身具有的高容量潛力該方法將是較為可行的方法。在實現大規模工業化生產單層或幾層石墨烯材料后，石墨烯將在鋰電領域大展拳腳。就目前的研究現狀而言，提高鋰電的功率、容量性能一方面應該加強開發具備高容量特性的新材料體系；另一方面，可通過構建合理的材料結構，如通過對材料的尺寸、形貌、表面缺陷等的調控改變材料的電化學性能，當然電極材料本身的微觀結構以及復合材料間相互作用如何影響材料電化學性能有待更深入的研究。

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