石墨烯在电极材料领域的应用：


石墨烯的用途众多，可用做各类电子产品的显示屏、环保材料，还在能源领域广泛应用于锂离子电池和超级电容器的电极材料。

石墨烯基锂离子电池的应用场景众多。既可应用于分布式基站，使备电单元轻量化、小型化，适应赤道、沙漠，阳光直射等高温极端环境；也可应用于无人机和燃料电池车，完成高温环境下的续航以及安全运行。
石墨烯超级电容器作为一种很有前途的储能设备，在保留电极材料高比表面积的同时可增大其能量密度，可为智能手表、柔性电子屏、可折叠手机等可穿戴电子设备提供大功率电源。未来不仅可单独用在需要高功率输出的通信、轨道交通、启停控制等领域，还可与电池形成互补以同时实现高能量密度和高功率密度的电动汽车、交通运输和可再生能源领域。

1.1 锂离子电池材料

高能量密度锂离子电池是各国政府及领先电池企业竞相布局、重点研发的方向。石墨烯宏观体结构是由微米大小、导电性良好的石墨烯片搭接而成，具有开放的大孔结构。石墨烯材料的结构特征决定了石墨烯材料的储锂行为。锂离子在石墨烯材料中具有很高的储锂容量，开放的大孔结构也为电解质离子的进入提供了势垒极低的通道，可保证石墨烯材料作为锂离子电池材料具有良好的功率特性。


（１）锂离子电池负极材料。

一般锂离子电池的负极材料应具有以下特点：嵌入反应易进行；可以快速脱嵌且可逆容量高；稳定的充放电性能；循环性能好；环保等。常用的负极材料有碳、钛酸锂、硅材料和过渡金属氧化物等，其中石墨是商业化程度最高的材料。石墨的导电性好，片层结构完整，有利于锂离子的嵌入和脱嵌，因此在四十多年前就被选作负极材料。直到现在，石墨依然是使用最广泛的电极材料。但石墨容量较低，无法满足锂离子电池日益增长的容量要求，而石墨烯材料具有大的比表面积和更高的容量，可以替代石墨用作锂离子电池的负极材料。
石墨烯比容量是石墨理论容的两倍，可直接用作锂离子电池的负极材料。石墨烯的高比容量主要源自于石墨烯边缘大量缺陷的存在以及石墨烯良好的导电性能，其电极薄膜电阻极低，仅为１Ω。若将石墨烯负极与磷酸铁锂正极组成全电池，则可以实现380Ｗ·ｈ／ｋｇ的理论能量密度和190Ｗ·ｈ／ｋｇ的实际能量密度。但是石墨烯用作锂离子电池负极材料存在循环寿命低的问题。石墨烯用作负极材料时，其循环稳定性主要取决于锂离子在嵌入脱嵌过程中诱发的再次聚集，这种影响在使用氧化石墨烯时更加明显，因为发生的电化学反应会使石墨烯失去含氧官能团，从而使得石墨烯片层之间更易于再次聚集，电极容量降低，导致电极性能恶化。

（２）锂离子电池正极材料。

锂电池正极材料主要包括三元材料、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂等。但是磷酸铁锂具有比容量低、倍率性能一般、低温特性差等缺点，钴酸锂的质量比容量低且成本较高，锰酸锂虽然具有低温性能好、价格低廉资源丰富、工艺简单、污染小、安全性能优异等优点，其比容量低且高温性能差、循环寿命低限制了其应用范围。三元材料因其能量密度高、容量高、丰富的体系组成，成为近年的研究热点。为降低生产高倍率性能和高振实密度三元材料的生产成本，可通过掺杂包覆工艺来改变三元电池的安全性能。在正极材料中，添加具有二维高比表面积特殊结构及优异电子传输能力的石墨烯材料，可以大幅改善正极材料的导电性能，有效提高锂离子在正极材料中的扩散传输能力。相较于传统的导电添加剂，石墨烯的优势在于：添加量更少，电化学性能更优异。
石墨烯在高电位下也具有很高的储锂活性，因此也可以作为锂离子电池正极材料使用，其电化学性能主要来源于表面含氧官能团与锂离子在高电位下的可逆氧化还原反应。电动汽车现在使用的磷酸铁锂正极材料电荷传输性质不佳，在高倍率条件下容量将快速衰减。而在锂离子正极材料中添加石墨烯则可极大改善这一情况。有研究结果显示，仅需在电池的电极材料中添加1.5％质量分数的石墨烯，该电池的充电速率即可大幅提升，可以在172ｓ内充电至137ｍＡ·ｈ／ｇ的比容量，相当于不到３ｍｉｎ充电至８９％，并在此条件下循环充放电500次后仍可保留初始容量的９０％。


1.2 超级电容器

超级电容器是功率型绿色储能设备，具有功率密度大、循环寿命长、充放电速度快、适应温度范围大、安全可靠等特性，应用于需要平抑可再生能源发电瞬时波动、大功率电机启动等场景。电极材料是超级电容器的关键所在，决定着该储能器件的主要性能指标，如能量密度、功率密度和循环稳定性等。在众多的电极材料中，多孔碳材料因其价廉易得、电化学稳定、导电性好、比表面积高等优势而成为研究热点并已实现了商业化。
然而，碳基超级电容器的能量密度仍较低，约为商业锂离子电池的１／２０，难以满足储能器件实际应用的需求。提高碳基材料的比表面积，调整颗粒尺寸，改善孔径分布和修饰表面状是提高其能量密度的关键因素所在。石墨烯储能材料具有巨大的、离子可进入的比表面积以及良好的电荷传输性质，应用于超级电容器可极大提升其能量密度。不同于锂离子电池，超级电容器是通过表面氧化还原反应或活性材料表面吸附电荷来储存能量的。因为单层石墨烯的两个表面都可用于储存电荷，所以石墨烯的理论容量较大。但是由于石墨烯的堆积密度非常低，使得其在制备高功率或高能量密度超级电容器时遭遇瓶颈，导致石墨烯超级电容器虽然拥有较高的重量比容量，但是体积比容量较小。通过对电解质进行简单过滤操作，可以对石墨烯层间的电解质含量进行调节，在一定程度上达到控制堆积密度的目标。此类石墨烯超级电容可以获得相对于传统电容器高一个数量级的功率密度，并达到接近铅酸电池的能量密度。
具有高比表面积的石墨烯是发展高性能超级电容器的有效途径，且当各种赝电容活性物质和具有高导电性、高比表面积的石墨烯结合时，有望得到更高容量的超级电容器。值得注意的是，当这种活性物质与石墨烯制备过程相结合时，储能设备的工艺流程和生产成本都将大大降低。


原标题：石墨烯在储能领域应用现状及展望