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石墨烯材料优异的机械和物理性能使其成为理想的储能材料。石墨烯作为一种二维碳纳米材料，具有大的比表面积、良好的导电性和导热性，经常被用作锂离子电池和超级电容器的材料。

我国天然石墨储量丰富，但适合制造石墨烯的天然大块石墨相对较小，不到500万t。此外，天然石墨直接用作电极材料时，对电解质敏感，高电流充放电性能较差。在放电过程中，由于电解质或有机溶剂的化学反应，阳极电极表面会形成固体电解质界面膜。

此外，随着锂离子的嵌入和脱嵌，石墨片的体积不断膨胀和收缩，容易引起石墨粉化。因此，天然石墨的不可逆容量较高，循环寿命有待进一步提高。

人造石墨与电解质具有良好的相容性，具有良好的充放电性能和循环性能，可逆充电容量达到350mAh/g，不可逆容量远低于天然石墨。并且在性能相差不大、生产工艺相似的前提下，人造石墨的原材料价格比天然石墨低了一半以上，因此在实际应用中，更加强调使用人造石墨。

 

 

目前，用于高性能储能的石墨烯材料或碳材料受到原材料和制备工艺的限制，导致成本高，市场价格高。因此，开发低成本、高容量的制造技术是石墨烯材料储能应用的关键。本文主要介绍了石墨烯材料在锂离子电池和超级电容器中的应用，以及石墨烯制备技术的现状。

 

石墨烯材料在电极材料领域的应用

石墨烯材料有很多用途。它可以用作各种电子产品的显示屏、环保材料，也可以作为锂离子电池和超级电容器的电极材料广泛应用于能源领域。

 

 

石墨烯基锂离子电池有许多应用场景。可应用于分布式基站，使备用电源单元轻量化、小型化，适应赤道、沙漠、阳光直射等高温极端环境；它还可以应用于无人机电池和燃料电池汽车，以完成高温环境下的续航和安全操作。

石墨烯材料超级电容器作为一种很有前途的储能器件，可以在保持电极材料高比表面积的同时提高能量密度。它可以为智能手表、柔性电子屏幕和可折叠手机等可穿戴电子设备提供大功率电源。

未来，它不仅可以单独应用于通信、轨道交通、启停控制等需要高功率输出的领域，还可以与电池互补，在电动汽车、交通和可再生能源领域同时实现高能量密度和高功率密度。

 

锂离子电池材料

高能量密度锂离子电池是各国政府和电池龙头企业争相布局、重点研发的方向。石墨烯材料的宏观块体结构是由具有良好导电性的微米级石墨烯材料片重叠形成的，并且具有开放的大孔结构。

 

 

石墨烯材料的结构特性决定了石墨烯材料储锂的行为。锂离子在石墨烯材料中具有高的储锂能力，并且开放的大孔结构还为电解质离子的进入提供了具有极低势垒的通道。它可以确保石墨烯材料作为锂离子电池材料具有良好的功率特性。

 

锂离子电池负极材料

通常，锂离子电池的负极材料应具有以下特点：嵌入反应容易、脱嵌快且可逆容量高、充放电性能稳定、循环性能好、环保等。常用的阳极材料包括碳、钛酸锂、硅材料和过渡金属氧化物，其中石墨是商业化程度最高的材料。石墨具有良好的导电性和完整的层状结构，有利于锂离子的嵌入和脱嵌，因此在40多年前就被选为负极材料。到目前为止，石墨仍然是应用最广泛的电极材料。

然而，石墨的容量较低，无法满足锂离子电池日益增长的容量要求，而石墨烯材料具有较大的比表面积和更高的容量，可以取代石墨作为锂离子电池的负极材料。石墨烯材料的比容量是石墨理论容量的两倍，可以直接用作锂离子电池的负极材料。石墨烯材料的高比容量主要是由于石墨烯材料边缘存在大量缺陷和石墨烯良好的导电性，其电极片电阻极低，仅为1Ω。

 

 

如果石墨烯阳极和磷酸铁锂正极结合形成全电池，则可以实现380 W·h/kg的理论能量密度和190 W·h/kg。

然而，使用石墨烯材料作为锂离子电池的负极材料存在循环寿命低的问题。当石墨烯材料用作负极材料时，其循环稳定性主要取决于锂离子在嵌入和脱嵌过程中诱导的再聚集，而当使用氧化石墨烯时，这种影响更为明显。因为发生的电化学反应会导致石墨烯材料失去含氧官能团，这使得石墨烯片之间更容易重新聚集，电极容量降低，并且电极性能恶化。

 

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。如果您想了解更多关于磷酸铁锂正极材料公司和正极三元材料公司的信息，可以点击链接了解相关信息。然而，磷酸铁锂具有比容量低、倍率性能一般、低温特性差的缺点。

钴酸锂具有低质量比容量和高成本。尽管锰酸锂具有低温性能好、价格低廉、资源丰富、工艺简单、污染低、安全性能优异等优点，但其比容量低、高温性能差、循环寿命低限制了其应用范围。三元材料以其高能量密度、高容量和丰富的体系组成成为近年来的研究热点。

为了降低具有高倍率性能和高振实密度的三元材料的生产成本，可以通过掺杂涂层工艺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和优异电子传输能力的特殊结构的石墨烯材料，可以大大提高正极材料的导电性，有效提高锂离子在正极极材料的扩散和传输能力。与传统的导电添加剂相比，石墨烯材料具有添加量少、电化学性能好的优点。

石墨烯材料在高电势下也具有高的储锂活性，因此它也可以用作锂离子电池的正极材料。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。目前用于电动汽车的磷酸铁锂正极材料的电荷传输性能较差，在高速率条件下容量会迅速衰减。在锂离子正极材料中添加石墨烯材料可以极大地改善这种情况。

研究结果表明，在电池的电极材料中只添加1.5%的石墨烯材料，可以大大提高电池的充电率，电池可以在172秒内充电到137 mA h/g的比容量。这相当于在不到3分钟的时间内充电到89%，并且在该条件下充电和放电500次循环后可以保持90%的初始容量。

 

 

超级电容器

超级电容器是功率型绿色储能装置，具有功率密度高、循环寿命长、充放电速度快、温度范围宽、安全可靠等特点。它用于需要抑制可再生能源发电的瞬时波动和启动大功率电机的场景。

电极材料是超级电容器的关键，决定着储能装置的主要性能指标，如能量密度、功率密度和循环稳定性。在众多电极材料中，多孔碳材料因其成本低、易得、电化学稳定性、，良好的导电性和高比表面积。

然而，碳基超级电容器的能量密度仍然很低，约为商用锂离子电池的1/20，难以满足储能器件实际应用的需要，改善孔径分布和改变表面形状是提高其能量密度的关键因素。

石墨烯储能材料具有巨大的离子可及比表面积和良好的电荷传输性能，在超级电容器中的应用可以大大提高其能量密度。与锂离子电池不同，超级电容器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。因为单层石墨烯的两个表面都可以用来存储电荷，所以石墨烯的理论容量更大。

 

 

然而，由于石墨烯的堆积密度非常低，它在制备高功率或高能量密度超级电容器时遇到了瓶颈。因此，尽管石墨烯超级电容器具有高的重量比容量，但体积比容量较小。

通过简单地过滤电解质，可以调整石墨烯层之间的电解质含量，以达到在一定程度上控制封装密度的目的。这种石墨烯超级电容器可以实现比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。

高比表面积石墨烯是开发高性能超级电容器的有效途径，当各种赝电容活性材料与高导电性和高比表面积的石墨烯相结合时，有望获得更高容量的超级电容器。值得注意的是，当这种活性材料与石墨烯制备工艺相结合时，储能装置的工艺流程和生产成本将大大降低。

 

 

石墨烯材料制备技术现状

石墨材料具有许多特殊性能，如耐高温、导热性、导电性、化学稳定性、塑性、润滑性和抗热震性。近年来，随着石墨深加工技术的不断突破，石墨的理化性能得到进一步发展，已成为新能源汽车、环保、新材料、储能等战略性新兴产业的关键材料。目前，最商业化的方式是使用天然石墨制备石墨烯工艺。石墨烯产业的快速发展，直接引发了石墨资源的开发热潮。

目前中国使用的石墨烯大多来自石墨矿，生产成本很高。石墨烯可以从相对便宜的低热值煤原料中获得，提取比例约为3:1，即3吨低热值煤可以提取约1吨石墨烯。如果这一工艺商业化，将大大降低石墨烯的生产成本，使石墨烯产品得到更广泛的应用和更大的经济效益。

清华大学提出了一种适用于不同应用场景的低成本、大规模、连续的石墨烯制备方法，以天然石墨为前驱体材料，通过实验室小批量制备，获得了性能稳定、均匀性好的石墨烯、氧化石墨烯、石墨块等粉末材料。

 

 

2017年，新奥（内蒙古）石墨烯材料有限公司建设的100吨级石墨烯中试厂已成功生产石墨烯。该产品具有比表面积超高、层数少、可根据需要进行调整的特点。它还实现了低成本、清洁的生产，可用于储能、导热、导电和吸波等复合材料，以及气体吸附、储存和分离。

现有的石墨烯制备方法包括气相合成法、REDOX法和液相剥离法。其中，液相剥离法被认为是大规模制备高性能石墨烯的重要方法之一，但制备效率和产率仍然较低。在液相汽提法制备石墨烯的基础上，创新性地提出了使用石墨衍生物作为分散剂。

采用高速水相剪切法，建立了年产1t的中试生产线，解决了该工艺效率低、规模化制备困难的问题。经生产线验证，该工艺绿色环保，以水为溶剂，常压下，不含表面活性剂等有机成分，对环境无害；石墨烯成本低于500元/公斤；

该产品主要采用剥离法获得，缺陷少，层数低，多在7层以内，切片直径为3-5μm。由于不添加表面活性剂，产品无污染，纯度高，电导率接近50S/km，达到国际领先水平。

 

结论与展望

石墨烯材料被认为对未来的工业发展有影响。实现高性能、低成本、高稳定性的石墨烯大规模制备是其应用的前提和保证，也是当前学术界关注和研究的重点。

 

 

目前，石墨烯材料是锂离子电池行业中最常用的导电添加剂。由于锂离子电池电动汽车和启停电池混合动力车的市场份额很大，石墨烯材料作为锂离子电池的导电添加剂的需求仍然很大。

然而，当用作超级电容器的主电极材料时，仍然存在石墨烯材料纯度低、层间容易堆叠、液体吸收大等问题。基于石墨烯材料应用和制备技术的研究现状，未来可开展以下研究方向：

（1） 尽管煤基石墨烯材料已在工程中得到应用，但从产能角度来看，已经实现了石墨烯粉末和薄膜的宏观定量制备，但煤质和工艺路线对石墨烯的结构和特性有很大影响。不同的应用场景对石墨烯的结构和性能有不同的要求。因此，需要有针对性的研究，根据不同的要求开发适合特定应用场景的石墨烯材料。

（2） 煤制石墨烯电极材料、煤制石墨石墨烯基锂离子电池和超级电容器的电化学特性研究较少，缺乏系统性，未来可以在上述方向上进一步探索。

（3） 与人造石墨相比，天然石墨的结构特征不利于锂离子电池电极的制造。在实际应用中，人造石墨更加受到重视。例如，2018年，我国锂电池负极材料采用人造石墨，占比64%，天然石墨占比24%。

目前，我国锂电池导电剂中石墨烯材料的需求量约为23万吨，并随着新能源汽车等行业的发展而持续上升。未来，应该对用人造石墨制造石墨烯的工艺进行更多的研究，以满足对石墨烯材料日益增长的需求。