中國粉體網(wǎng)訊 2004年，英國曼徹斯特大學(xué)俄裔物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫，首次采用膠帶實現(xiàn)了熱解石墨的機(jī)械剝離，成功制備出單層石墨烯，并因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。
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單層石墨烯的成功制備，不僅證實了石墨烯可以單獨(dú)存在，而且破除了其無法成功制備（制造）的“定論”，其誕生也引發(fā)了世界范圍內(nèi)石墨烯研究熱潮。有人將石墨烯稱為無限可能的神奇材料，更有科學(xué)家預(yù)言它將改變21世紀(jì)，或掀起現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域新的革命。
研究證實，石墨烯是目前世界上已知的強(qiáng)度最高和質(zhì)量最輕的材料，石墨烯片材可用于超輕質(zhì)飛機(jī)、紅外導(dǎo)引頭、激光武器、光電探測裝備、超輕便防彈衣等研發(fā)應(yīng)用，甚至可用于保護(hù)航天器免遭空間碎片的破壞，在軍事航天、軍用能源、軍用發(fā)動機(jī)以及核武器開發(fā)、海水淡化、裝甲防護(hù)、極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)及柔性顯示等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
1、石墨烯性能
（1）力學(xué)特性
石墨烯的楊氏模量可以達(dá)到1.0TPa，固有拉伸強(qiáng)度達(dá)到130GPa。同時，石墨烯具有良好的韌性，可以隨意彎曲折疊，但其晶體結(jié)構(gòu)并不會發(fā)生變化，既有優(yōu)秀的延展性又保證了優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能。
（2）電學(xué)性質(zhì)
石墨烯的電子能帶結(jié)構(gòu)較為特殊，其載流子遵循的量子隧道效應(yīng)能夠保證其遇到雜質(zhì)時，載流子不發(fā)生散射，從而形成石墨烯的超強(qiáng)導(dǎo)電性，同時也保證了其超高的載流子遷移性。同時，石墨烯的電子遷移率在500K下基本不受影響，可以達(dá)到15000cm2/（V·s）。當(dāng)溫度降低時，石墨烯的遷移率超過20000cm2/（V·s）,這一性能超越了半導(dǎo)體材料（銻化銦、硅等)。石墨烯的電導(dǎo)率也很好，可以達(dá)到106S/cm。
（3）熱學(xué)性能
石墨烯的導(dǎo)熱性能極佳，目前已知的單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到5300W/m·K，遠(yuǎn)高于單壁碳納米管的3500W/m·K，是已知熱導(dǎo)率最高的碳材料。當(dāng)石墨烯作為填料或載體時，其熱導(dǎo)率會出現(xiàn)明顯的下降，但熱導(dǎo)率仍能達(dá)到600W/m·K。
（4）光學(xué)性能
石墨烯是層狀結(jié)構(gòu)，具有半透明的特質(zhì)，層數(shù)越低的石墨烯，透光度越好。單層石墨烯基本為透明狀，可見光透過率達(dá)到97.7%。石墨烯的這些屬性已經(jīng)對基礎(chǔ)研究產(chǎn)生了巨大影響，并且現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料、傳感器、光電子等領(lǐng)域。
2、石墨烯用于鋰電負(fù)極可行性
在鋰電領(lǐng)域，隨著研究的不斷深入，將石墨烯及其復(fù)合材料應(yīng)用在鋰離子電池負(fù)極中成為一種前景和可行性都很不錯的方案。
鋰離子電池負(fù)極材料存在碳基或非碳基之分。其中，碳基中石墨、無定型及納米碳材料應(yīng)用較為廣泛，而石墨烯較其他碳基負(fù)極材料相比，其片層兩邊可有效吸附鋰離子，擴(kuò)增儲鋰容量，可達(dá)石墨的2倍，且其無規(guī)則排列增加的微孔也可增強(qiáng)儲鋰量，而且石墨烯力學(xué)強(qiáng)度、電荷遷移率、導(dǎo)電率等性能較優(yōu)，其特有的高柔韌性及長徑，也讓其具備作為鋰離子電池負(fù)極材料的潛能。
3、石墨烯在鋰電負(fù)極材料中的應(yīng)用
鋰離子電池負(fù)極作為儲鋰主體，對電池的性能起到重要影響。是否具有良好的鋰離子傳輸通道和電子傳輸通道是斷定負(fù)極材料優(yōu)劣性的重要依據(jù)。石墨烯既具備提供良好電子傳輸通道的能力，又有優(yōu)異的鋰離子傳輸性能。石墨烯導(dǎo)電性能優(yōu)異，其片層間距極小，僅為微納米量級，使得鋰離子的擴(kuò)散路徑較短。同時，石墨烯和鋰離子的結(jié)合是在石墨烯的整個外表面進(jìn)行，因此提升了傳輸性能。
不過，石墨烯直接作為鋰離子電池負(fù)極材料性能不穩(wěn)定，存在一些缺點(diǎn)：單層石墨烯片層極易堆積，比表面積的減少使其喪失了部分高儲鋰空間；首次庫倫效率低；初期容量衰減快；電壓平臺及電壓滯后等。
石墨烯可與多種材料復(fù)合作為鋰離子電池負(fù)極，例如其與硅基、錫基納米顆粒材料復(fù)合時能起到互補(bǔ)作用，采用石墨烯包覆材料能更好的阻止納米顆粒的團(tuán)聚，在結(jié)構(gòu)上石墨烯的柔性和其納米層之間存在的間隙可在鋰離子電池的充放電過程中有效減緩材料的體積變化。石墨烯能通過增強(qiáng)硅納米材料的電子導(dǎo)電性來提高材料的充放電速率，其與SnO2復(fù)合后能降低石墨烯堆積程度，同時還能保持硅納米顆粒之間的間隙，加快鋰離子的擴(kuò)散，進(jìn)一步增加電池的充放電速率。通過材料復(fù)合，能使該電極材料容量得到很大提升，有實驗表明，在10A/g放電條件下其容量達(dá)到640mAh/g。此外通過石墨烯的吸附作用，該電極材料可有效降低循環(huán)后的容量損失，實驗表明，經(jīng)過10A/g放電條件下200次循環(huán)后其容量保持率達(dá)到72%。
對于鋰電負(fù)極材料而言，過渡金屬氧化物或具有前景的硅基材料進(jìn)行石墨烯摻雜后在比容量、電壓特性、內(nèi)阻、充放電性能、循環(huán)性能、倍率性能等電化學(xué)性能方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的特性。將石墨烯和其他材料進(jìn)行復(fù)合制作成石墨烯基復(fù)合負(fù)極材料成為現(xiàn)在鋰離子電池研究的熱點(diǎn)和鋰電負(fù)極材料發(fā)展的一個方向。
總之，石墨烯作為一種無能隙的半導(dǎo)體材料，其二維尺寸僅有百納米及數(shù)個微米，能極大縮減鋰離子遷移距離，具有高導(dǎo)電性、高比容量、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢，且成本優(yōu)勢較為明顯。但是石墨烯應(yīng)用也面臨不少問題，比如石墨烯的規(guī)模化制備、大尺寸石墨烯的工藝創(chuàng)新、石墨烯的化學(xué)改性或改良、石墨烯復(fù)合材料的加工等都還存在一些困難。未來尋求一種環(huán)保、大規(guī)模的石墨烯制備方法，并進(jìn)一步探究石墨烯材料的電化性能，在理論與實踐上都有重要意義，這將有助于深化石墨烯材料的應(yīng)用，也能夠為鋰離子電池性能優(yōu)化提供有效支撐。
參考來源：
1、王群.石墨烯——無限可能的神奇材料
2、董佳瑩.石墨烯制備及在鋰離子電池負(fù)極材料的應(yīng)用
3、田曉鴻.石墨烯制備及其在新能源汽車鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用
4、柯佳含等.石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用
5、吉功濤.石墨烯及其復(fù)合材料在鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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