新能源汽車鋰離子電池是一種可充電的二次電池，其利用鋰離子在正負(fù)極之間的往返移動儲存和釋放能量。鋰離子電池具有比能量高、工作電壓高、循環(huán)壽命長和體積小等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子信息產(chǎn)品、電動汽車、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。然而，新能源汽車發(fā)展快速，其對鋰離子電池的性能要求也越來越高，尤其是負(fù)極材料的節(jié)能環(huán)保性、高容量、強(qiáng)穩(wěn)定性和低成本等方面。目前，商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極材料主要有石墨、鈦酸鋰和硅碳復(fù)合材料等，其中石墨是最常用的一種，但其理論比容量只有372mA·h/g，已經(jīng)難以滿足新能源汽車的高能量密度需求。而石墨烯作為電池材料，具有良好的應(yīng)用前景。

一、石墨烯介紹

石墨烯是一種由碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面二維結(jié)構(gòu)納米材料，其C-C鍵長為0.141nm，理論密度約為0.77mg/m2，厚度僅為一個(gè)碳原子的直徑大小。碳原子以sp2的方式參與雜化，電子可以在層層之間順利傳導(dǎo)，故石墨烯導(dǎo)電性極好，是目前已知電阻率最小的材料，這也是石墨烯在電池發(fā)展前景廣闊的原因之一。石墨烯材料具有出色的導(dǎo)熱性，其單層材料理論室溫?zé)醾鲗?dǎo)率可達(dá)3000-5000W/（m*K），這一性質(zhì)可用于研究電池工作時(shí)的熱量耗散問題。其力學(xué)性質(zhì)優(yōu)異，是一種韌性和強(qiáng)度極好的材料，可用于開發(fā)研究柔性電極材料。

二、石墨烯直接作為汽車鋰離子電池負(fù)極材料

石墨烯直接作為汽車鋰離子電池負(fù)極材料將石墨烯直接作為新能源汽車鋰離子電池負(fù)極材料進(jìn)行應(yīng)用是最簡單和直接的一種方式，即將石墨烯粉體直接與導(dǎo)電劑和黏結(jié)劑混合制成負(fù)極漿料，并涂布在銅箔上制成負(fù)極片。這種方式可以充分利用石墨烯片層之間的空隙儲存鋰離子，同時(shí)也可以利用石墨烯片層之間的π-π堆積作用保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。然而，這種方式也存在一些問題，主要包括3個(gè)方面。 

第一，石墨烯片層之間的π-π堆積作用雖然可以保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但也會降低片層之間的電子和離子傳輸性能，從而影響電池的功率密度和循環(huán)效率。

第二，石墨烯片層之間的空隙雖然可以儲存鋰離子，但也會導(dǎo)致鋰離子在片層之間的不均勻分布和沉積，從而加劇鋰枝晶和體積變化等問題。 

第三，石墨烯片層的表面活性較強(qiáng)，容易與電解液中的水分子和其他雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而消耗有效鋰、增加內(nèi)阻、損傷SEI膜等。 

為了解決這些問題，研究者采用了多種方法改善石墨烯直接作為負(fù)極材料的性能。例如，一些學(xué)者在超聲波輔助下將石墨烯與聚乙二醇共混，并通過冷凍干燥法制備出強(qiáng)分散性和高純度的石墨烯粉體。然后將其作為負(fù)極材料進(jìn)行電化學(xué)測試，結(jié)果顯示該電極材料在100mA/m2電流密度下可以得到600mA·h/g的可逆容量，而且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

三、氮摻雜石墨烯作為汽車鋰離子電池負(fù)極材料

氮摻雜石墨烯作為汽車鋰離子電池負(fù)極材料氮摻雜石墨烯是一種在石墨烯中引入氮原子的新型納米材料，具有比普通石墨烯更高的比容量、更好的循環(huán)穩(wěn)定性和更低的平臺電壓等特點(diǎn)。將氮摻雜石墨烯作為新能源汽車鋰離子電池負(fù)極材料進(jìn)行應(yīng)用是一種利用界面工程或修飾技術(shù)優(yōu)化負(fù)極材料性能的方式，即在石墨烯制備過程中或制備后，通過不同的方法將氮原子摻入石墨烯中，從而利用氮原子對石墨烯電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)的影響達(dá)到提高負(fù)極材料性能的目的。具體而言，氮摻雜對石墨烯負(fù)極材料有以下3個(gè)方面的影響 ：

一是氮摻雜可以改變石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，使得石墨烯從零帶隙半金屬變?yōu)榉橇銕栋雽?dǎo)體，從而提高其電子傳輸性能和儲鋰能力；

二是氮摻雜可以改變石墨烯的表面性質(zhì)，使得石墨烯具有不同類型和數(shù)量的活性位點(diǎn)，從而優(yōu)化其與電解液之間的界面反應(yīng)和傳輸過程，以及抑制鋰枝晶的形成；

三是氮摻雜可以改變石墨烯的化學(xué)活性，使得石墨烯具有更強(qiáng)的還原能力和更低的氧化還原電位，從而提高其儲鋰能力和循環(huán)穩(wěn)定性。 

為了實(shí)現(xiàn)氮摻雜石墨烯作為負(fù)極材料的應(yīng)用，研究者采用了多種方法制備氮摻雜石墨烯，主要包括以下4個(gè)方面：

一是通過在液相剝離中使用含氮的溶劑或表面活性劑，如吡咯、吡啶、尿素等，實(shí)現(xiàn)氮摻雜石墨烯的一步制備；

二是通過在化學(xué)氣相沉積中使用含氮的前驅(qū)體或載氣，如氨、乙胺、苯并三唑等，實(shí)現(xiàn)氮摻雜石墨烯的一步制備；

三是在石墨烯制備后，通過使用含氮的試劑或氣體，如硝酸、硫酸銨、二甲胺等，實(shí)現(xiàn)氮摻雜石墨烯的后處理制備；

四是在石墨烯制備后，通過使用含氮的聚合物或小分子，如聚吡咯、吡咯啉等，實(shí)現(xiàn)氮摻雜石墨烯的修飾制備。

四、結(jié)束語

新能源汽車鋰離子電池對負(fù)極材料的節(jié)能環(huán)保性要求較高，而石墨烯作為新型的碳材料，因具有低成本、高性能的特點(diǎn)而成為新型的負(fù)極材料。首先介紹一種利用機(jī)械液相剝離法規(guī)?；苽?strong>石墨烯粉體，并將其與其他高容量負(fù)極材料復(fù)合制備成新型納米材料的方法。該方法具有制備工藝簡單、不需要進(jìn)行氧化插層、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。其次總結(jié)石墨烯在新能源汽車鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用優(yōu)勢和存在問題，以及目前的主要制備方法和改善措施，以更好地提升新能源汽車鋰離子電池的性能。

信息來源：鋰電聯(lián)盟會長