汽车电子展|石墨烯在新能源汽车锂离子电池负极材料中的应用

新能源汽车锂离子电池是一种可充电的二次电池，其利用锂离子在正负极之间的往返移动储存和释放能量。汽车电子展了解到，锂离子电池具有比能量高、工作电压高、循环寿命长和体积小等特点，已经被广泛应用于电子信息产品、电动汽车、智能电网等领域。然而，新能源汽车发展快速，其对锂离子电池的性能要求也越来越高，尤其是负极材料的节能环保性、高容量、强稳定性和低成本等方面。目前，商业化的锂离子电池负极材料主要有石墨、钛酸锂和硅碳复合材料等，其中石墨是常用的一种，但其理论比容量只有372mA·h/g，已经难以满足新能源汽车的高能量密度需求。而石墨烯作为电池材料，具有良好的应用前景。

汽车电子展了解到，液相剥离法是一种从石墨中直接制备单层石墨烯的方法，使用不同的液体溶剂和物理手段分散和剥离石墨层。这种方法制备工艺简单，不需要进行氧化插层，具有节能环保的特点。汽车电子展了解到，要想用这种方法规模化制备石墨烯，需要选择一些特定的试剂和仪器，如N-甲基吡咯烷酮、聚乙烯吡咯烷酮、鳞片石墨、隔膜、铜箔等，以及磁力搅拌器、高速冷冻离心机、高速剪切研磨分散机、原子力显微镜、X射线衍射仪、超纯水系统、透射电子显微镜等。利用液相剥离法制备石墨烯的具体步骤有4步。 
第一步，用N-甲基吡咯烷酮和丁胺对石墨进行两步非氧化插层处理，使得有机分子进入石墨层间，减小石墨层间的范德华力，得到处理后的石墨原料。这一步可以提高石墨的可剥离性和可分散性，减少后续剥离过程中所需的能量。 
第二步，用高速剪切研磨分散机对处理后的石墨原料进行机械剥离，使得石墨烯片层从石墨表面剥离，并在N-甲基吡咯烷酮溶液中形成石墨烯乳液。这一步可以利用N-甲基吡咯烷酮溶液的高介电常数和低表面张力稳定石墨烯片层，防止其重新聚集。 
第三步，用聚乙烯吡咯烷酮浓度为1%的表面活性剂水溶剂对石墨烯乳液进行溶剂替换和再剥离，得到更稳定的石墨烯水溶液。这一步可以利用聚乙烯吡咯烷酮作为表面活性剂包裹石墨烯片层，提高其在水中的亲水性和分散性，同时也可以通过再次机械剥离进一步降低片层厚度。 
第四步，用高速离心和冷冻干燥的方法制备出石墨烯粉体，作为新能源汽车锂离子电池负极材料的原料。这一步可以利用高速离心的方法分离出少层和多层的片层，并利用冷冻干燥的方法去除残留的溶剂和表面活性剂，得到纯度较高、比表面积较大、导电性较好的石墨烯粉体。这种粉体可以作为锂离子电池负极材料，提高电池的容量和安全性及延长电池的循环寿命。除此之外，石墨烯粉体还可以用于其他领域，如催化、传感、复合材料等。

负极材料是新能源汽车锂离子电池的重要组成部分，直接影响电池的容量、功率、安全性和稳定性。近年来，研究者开发了许多新型的高容量负极材料，如金属锂、合金材料、硅基材料、锡基材料、钛酸锂及过渡金属氧化物等。这些材料具有高达1000mA·h/g以上的理论比容量，但同时也面临着诸多挑战，主要包括3方面。 
第一，锂枝晶的形成和抑制。锂枝晶是指在充电过程中，由于锂离子在负极表面的不均匀沉积而形成的金属锂微观结构。锂枝晶会导致有效锂损失、内阻增加、容量衰减、SEI膜遭到破坏、隔膜穿刺、内部短路等问题，从而严重影响电池的性能和安全性。
第二，体积变化的缓解和适应。高容量负极材料在嵌脱锂过程中会发生较大的体积变化，例如硅基材料的体积变化可达300%，锡基材料的体积变化可达260%。这种剧烈的体积变化会导致负极材料出现粉碎、脱落、开裂等现象，破坏负极的结构完整性和电子导电性，同时也会损伤SEI膜的稳定性，加速电池的老化和衰退。 
第三，电子和离子传输性能的提高和协调。高容量负极材料通常具有较差的电子和离子传输性能，这会导致电荷转移过程中的极化损失，降低电池的功率密度和循环效率。此外，电子和离子传输过程中的不匹配或不协调也会导致锂离子在负极表面的不均匀分布和沉积，加剧锂枝晶和体积变化等问题。
石墨烯是一种由单层碳原子以sp2杂化轨道排列成蜂窝状结构的二维纳米材料，具有优异的力学、光学和化学性能，被认为是一种具有良好应用前景的新型纳米材料。在锂离子电池负极材料方面，石墨烯具有4个方面的应用优势。 

文章来源：希骥电池与储能--微信公众号