在鋰電池中加入石墨烯，能夠提高電池的充電速度，提升電池的穩(wěn)定性，現(xiàn)階段的石墨烯材料研究已經(jīng)成為鋰電池研究的重要方向之一。

　　正極材料

　　目前鋰離子電池正極主要存在離子和電子遷移率低、可逆比容量低等問題，研究較多的材料有磷酸鐵鋰、錳酸鋰等，但這些材料也存在各自的問題，將石墨烯材料與它們進(jìn)行復(fù)合，為解決這些問題開辟了新的路徑。

　　1. 磷酸鐵鋰LiFePO4

　　施軼通過微波水熱法合成了高度有序的LiFePO4/C/石墨烯納米材料，這種材料中無定形碳包裹了LiFePO4納米粒，使電解液能得到充分接觸，在0.1C倍率下，放電容量為168mA?h/g，接近LiFePO4材料的理論容量170mA?h/g，而增大到10C高倍率下仍保持88mA?h/g的容量，再回到初始倍率時，LiFePO4/C/石墨烯電池仍保留99%的初始容量。

　　J. Mun等通過溶膠凝膠法將LiFePO4納米粒和還原氧化石墨烯(rGO)結(jié)合，使材料高度介孔化。在0.1C倍率下循環(huán)100次后電池容量仍有146mA?h/g，10C倍率下循環(huán)100次也仍有125mA?h/g，比同條件下純LiFePO4高43.5mA?h/g。在10C倍率下循環(huán)200次后復(fù)合物的容量仍保留92.48%。

　　Zhang Yin等以乙醇為介質(zhì)通過水熱溶劑法，將LiFePO4包覆在石墨烯下，限制了其團(tuán)聚，有利于鋰離子的傳導(dǎo)。在0.1C倍率下，放電容量為160mA·h/g，即使在20C和40C的大放電倍率下仍有72.7mA·h/g和42mA·h/g。

　　雷興領(lǐng)通過球磨法加熱摻雜碳納米管與石墨烯到LiFePO4中，因為交聯(lián)的碳納米管網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)石墨稀片材的拉伸，減少了石墨烯的褶皺。在0.2C倍率下，首次放電容量達(dá)到164.5mA?h/g，20C倍率時仍保持容量106.7mA?h/g，是初始容量的65.4%，在100次充放電循環(huán)后，放電容量僅降低了2%。

　　王亞萍通過噴霧-熱化學(xué)反應(yīng)法制得LiFePO4/石墨烯復(fù)合材料，在0.1C和1C倍率的電流密度下放電比容量分別為162mA?h/g和129mA?h/g。

　　2. 錳酸鋰LiMn2O4

　　H. K. Noh等通過在惰性氣體下的球磨加熱法，實現(xiàn)了將石墨烯對LiMn2O4粒子的包覆，緩解了材料在放電過程中體積和結(jié)構(gòu)的變化，從而改善了LiMn2O4的導(dǎo)電性。相比純LiMn2O4，該LiMn2O4/G的放電電壓更高，放電截止電壓達(dá)2.5V，而容量也由120mA?h/g提高到220mA?h/g。

　　Y. L. Cui等通過冷凍干燥法將Hummer法制得的多層石墨烯與溶膠凝膠法制得的LiMn2O4進(jìn)行混合，得到LiMn2O4/G納米復(fù)合材料，該材料具有穩(wěn)定的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最大放電容量為130.24mA?h/g，循環(huán)50次后容量保持率為81.40%，100次后為容量保持率為74.31%。

　　Lin Binghui等通過水熱法將LiMn2O4和石墨烯混合，制得LiMn2O4/G納米片，首次放電容量為151mA?h/g，充電容量為139mA?h/g，庫侖效率為92%，比純LiMn2O4高6%。循環(huán)200次充放電后，可逆比容量為121mA?h/g，比純LiMn2O4高50mA?h/g。

　　通過上述研究可以看出，將石墨烯與鋰離子正極材料復(fù)合可以使得石墨烯將正極材料包裹或為正極材料提供附著點，從而有助于緩解鋰離子進(jìn)出時引起的材料體積增大而變形，同時三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或介孔結(jié)構(gòu)的石墨烯也有利于電解質(zhì)離子的傳輸，并提高材料導(dǎo)電性，從而提高材料的電池性能。

　　負(fù)極材料

　　由于導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能良好、化學(xué)性能穩(wěn)定和具有較高的鋰離子容量，石墨是目前主要的鋰離子電池負(fù)極材料之一，但由于離子傳輸速率低以及能量密度低等原因，石墨已難以滿足目前對鋰離子電池的需求。

　　而石墨烯作為一種新型材料，在包含石墨眾多優(yōu)點的同時還具有高的理論比表面積2 630m2/g、非常短的鋰離子遷移距離和其他優(yōu)點，能有效提高鋰離子電池性能，但也存在不可逆比容量大、首次充放電效率低、沒有明顯的充放電平臺、體積能量密度低等問題，所以還需對其進(jìn)行改進(jìn)。目前石墨烯的改性方法主要分為三種：第一是進(jìn)行多孔化處理，第二是其他元素?fù)诫s，第三是與其他納米級負(fù)極材料進(jìn)行復(fù)合。

　　1. 多孔化處理

　　多孔化處理是為了使石墨烯擁有更大的比表面積和更多的缺陷，以增加鋰離子的活性位點，縮短脫鋰嵌鋰路徑，獲得更好的電化學(xué)性能。

　　Fang Yin等制作出了二維有序介孔石墨烯納米片，其在100mA/g的電流密度下比容量達(dá)1 040mA·h/g;蔡丹丹通過冷凍干燥制出了多孔石墨烯，其在100mA/g的電流密度下可逆比容量達(dá)到了1 132.9mA?h/g[28];A. Manthiram等制出了隨機堆放多孔石墨烯，其表現(xiàn)出高達(dá)2 207mA?h/g的首次放電比容量。

　　多孔化處理可以使石墨烯增大一定的比容量，但仍存在許多問題，一般將其與其他改性技術(shù)進(jìn)行結(jié)合使用。

　　2. 其他元素?fù)诫s

　　摻雜同樣能使石墨烯的比表面積增大以及形成更多的結(jié)構(gòu)缺陷，同時還能使其具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性、容量保持率和高倍率性。Li Xifei等通過在氨氣環(huán)境下的熱退火法得到氮摻雜石墨烯，在500次循環(huán)后比容量仍有684mA·h/g，循環(huán)性能優(yōu)越。

　　蔡丹丹通過三聚氰胺與熱剝落石墨烯制得氮摻雜石墨烯，在0.5A/g電流密度下可逆比容量達(dá)608mA?h/g，在20A/g電流密度下仍保留241mA?h/g[28]。Wu Zhongshui等在Ar/NH3、Ar/BCl3混合氣體下熱處理石墨烯分別得到氮摻雜石墨烯和硼摻雜石墨烯，均表現(xiàn)出高可逆比容量，并在25A/g大電流密度下仍分別保持199mA?h/g和235mA?h/g的可逆比容量。

　　Xiong Dongbin等制得了三維多孔結(jié)構(gòu)的氮摻雜石墨烯，在50mA/g電流密度下循環(huán)200次可逆比容量為344mA?h/g，在1A/g電流密度下循環(huán)1 000次可逆比容量為146mA?h/g[38]。Zhang Chenzhen等通過熱退火法制得磷摻雜石墨烯，在0.1A/g電流密度下可逆比容量達(dá)460mA?h/g，在80次循環(huán)后仍有99%的保留率[39]。此外，還有氟摻雜石墨烯、硫摻雜石墨烯等。

　　為了更好地提高石墨烯的性能，多元素?fù)诫s石墨烯也在研究中。Ma Xinlong等制得的磷氮雙摻雜多層多孔石墨烯在50mA/g的電流密度下展現(xiàn)出2 250mA·h/g的高可逆比容量，并在1A/g的電流密度下仍保有750mA·h/g的可逆比容量。Wang Zhongli等制得的硫氮雙摻雜多層多孔石墨烯則有超高的倍率性能，在80A/g的電流密度下仍保留322W·h/kg的能量密度。

　　由于其他元素的摻雜，使石墨烯的拓?fù)淙毕莸靡栽黾樱瑸殇囯x子的儲存提供了更多活性位點;并改變部分碳原子的雜化形式，如由原來C=C的sp2雜化結(jié)合變?yōu)镹和C原子的結(jié)合，這有利于大π鍵的形成，從而增強其導(dǎo)電性，進(jìn)而提高了石墨烯的比容量。

　　3. 與其他納米級負(fù)極材料進(jìn)行復(fù)合

　　除石墨外鋰離子電池還有其他負(fù)極材料，它們都有著各自的優(yōu)異之處，但也因各自存在的問題使得它們的使用受到限制，而石墨烯的特殊性質(zhì)和結(jié)構(gòu)為解決這些問題提供了途徑。

　　石墨烯對其他納米級材料的主要作用有：①其表面缺陷和邊緣節(jié)點提供儲鋰和電化學(xué)反應(yīng)的空間;②包覆納米材料，或作為支撐體，防止粒子堆垛，調(diào)控材料尺寸和形狀[44];③緩解納米材料在充放電過程中的體積膨脹;④其表面的含氧官能團(tuán)可與金屬氧化物成鍵，有利于倍率和循環(huán)性能的提升;⑤增強電極材料的導(dǎo)電性能。

　　(1) 與合金化機制材料進(jìn)行復(fù)合：合金化機制的鋰電池負(fù)極材料主要有硅基材料和錫基材料等，通過與鋰離子形成合金而實現(xiàn)儲鋰，具有較高的理論容量，但在充放電過程中會因為巨大的體積變化而影響循環(huán)性能。Qin Jian等通過CVD法制得三維介孔石墨烯/Sn基復(fù)合材料，在2A/g的電流密度下循環(huán)1 000次仍有682mA·h/g容量。

　　劉佳通過向SnO2微球體系中加入了NaOH和CTAB表面活性劑，制備了SnO2納米球/石墨烯復(fù)合材料，在電流密度100mA/g時，其首次可逆放電容量達(dá)到1 306mA·h/g，50次循環(huán)后仍保留592mA·h/g。白雪君等通過在石墨烯水凝膠中引入SnO2納米顆粒，制得三維SnO2/石墨烯復(fù)合材料，在5A/g的大電流密度下循環(huán)60次容量能穩(wěn)定在500mA?h/g。

　　Wang Shuai等通過水熱法合成了鎢摻雜的SnO2/ rGO復(fù)合材料，鎢摻雜的SnO2在石墨烯表面原位生長，形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有利于電子和離子的擴散，且有效緩解了SnO2的團(tuán)聚和膨脹，該材料在0.1A/g的電流密度下初始容量為1 240mA?h/g，循環(huán)100次后保持為1 100mA?h/g，且在1A/g下循環(huán)2 000次容量保持為776mA?h/g。

　　Zhou Xiangyan等通過將以Sn基低溫煅燒制得的秋葵狀SnO2和氮摻雜氧化石墨烯N-GO一同經(jīng)水合肼蒸汽還原制得SnO2@N-rGO復(fù)合材料，N-rGO將眾多SnO2微晶包裹起來，為其提供鋰離子存儲空間，并增強其導(dǎo)電率，該材料在200mA/g的電流密度下充電容量為1 363mA·h/g，庫侖效率為61.5%，循環(huán)180次后保持為1 041mA·h/g。

　　此外，還有鍺基、銻基等與石墨烯的復(fù)合。

　　通過以上研究可以知道，將石墨烯與合金化機制鋰離子負(fù)極材料進(jìn)行復(fù)合的主要優(yōu)勢是充分利用石墨烯的表面缺陷或者其三維介孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為鋰離子提供充放電過程中的存儲空間，同時利用石墨烯本身的柔韌性緩解負(fù)極材料的體積變化而形成的材料崩壞，從而有效地提高負(fù)極材料的循環(huán)性能。

　　(2) 與轉(zhuǎn)化機制材料進(jìn)行復(fù)合：轉(zhuǎn)化機制鋰電池負(fù)極材料一般為金屬氧化物和有機聚合物等，通過與鋰離子發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)而實現(xiàn)儲鋰，也具有較高的理論容量，但一般存在著導(dǎo)電性能差且首次不可逆比容量高、電壓滯后嚴(yán)重等問題。

　　Sun Hongtao等制得石墨烯納米片包覆著中空Co3O4的核殼結(jié)構(gòu)，在1A/g下循環(huán)500次后容量仍保持在600mA/g。Ran Tian等通過水熱法制得MoS2/石墨烯納米桿復(fù)合材料，在200mA?h/g下循環(huán)80次仍有1 009.4mA?h/g的可逆比容量，即使在3A/g的大電流密度下仍保有606.8mA?h/g。

　　Xiao Wei等通過聚乙烯吡咯烷酮輔助水熱法制得Fe2O3/石墨烯，在50mA/g電流密度下50次循環(huán)后可逆比容量為1 069mA?h/g，電流密度提高到1A/g時，仍有534mA?h/g。Huang Xiaodan等制得Fe3O4/納米多孔石墨烯，在1A/g下比容量高達(dá)1 427.5mA·h/g。Deng Jianwen等通過水熱法和CVD法制得石墨烯納米薄層核殼包覆MnO2，薄層上的MnO2的骨架呈花瓣狀，在500mA/g下循環(huán)300次后仍有高達(dá)1 200mA·h/g的容量。

　　Jing Mingjun等通過靜電自組裝法將Co3O4玫瑰球嵌入石墨烯中，制得Co3O4/石墨烯復(fù)合材料，有效緩解了Co3O4的體積增大帶來的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，在90mA/g電流密度下穩(wěn)定可逆比容量為1 110.8mA?h/g，提高到1.8A/g時為462.3mA?h/g。

　　Yang Yang等通過電泳沉積法制得Co3O4/石墨烯復(fù)合材料，該材料中Co3O4納米顆粒均勻地嵌入石墨烯中形成三明治結(jié)構(gòu)，在循環(huán)過程中能較好地保持結(jié)構(gòu)的完整性，在0.2A/g的電流密度下循環(huán)100次后可逆比容量為1 113mA·h/g，在1A/g下循環(huán)750次后為602.3mA·h/g。

　　Li Ting等通過溶劑熱法制得Fe2O3/石墨烯復(fù)合材料，該材料中Fe2O3顆粒均勻固定地生長在石墨烯表面，有效防止了循環(huán)過程中顆粒的團(tuán)聚，在50mA/g的電流密度下可逆比容量為610mA·h/g，庫侖效率為71%，在2A/g時可逆比容量保持在216mA·h/g。

　　可以看出，通過與石墨烯的復(fù)合，可以使轉(zhuǎn)化機制的負(fù)極材料有較好的生長點位或者能夠被石墨烯包覆，從而有效地緩解了材料顆粒在循環(huán)過程中的團(tuán)聚現(xiàn)象;此外，石墨烯的彈性夾層和空隙能為負(fù)極材料提供良好的氧化還原反應(yīng)空間，保證其晶體結(jié)構(gòu)不會因體積增大而擠壓破壞，同時這些夾層和空隙也能保證離子傳輸通道的通暢，從而提高負(fù)極材料的可逆比容量。

　　(3) 與嵌入脫出機制材料進(jìn)行復(fù)合：嵌入脫出機制鋰電池負(fù)極材料主要為鈦類氧化物TiO2、Li4Ti5O12等，其儲鋰是通過充放電時鋰離子嵌入或脫出電極材料的分子結(jié)構(gòu)空隙而實現(xiàn)，引起的體積變化相對較小，且能有效解決鋰在負(fù)極產(chǎn)生枝晶的問題，但存在著理論容量低、導(dǎo)電性能差等問題。

　　Ding Shujiang等通過在石墨烯基底上生長TiO2的方法制得TiO2/石墨烯復(fù)合材料，其在168mA/g下循環(huán)120次容量仍有161mA?h/g，接近其理論值，并在1 680mA/g下保持119mA?h/g的容量。

　　蔡丹丹通過氣液界面法制得TiO2/石墨烯復(fù)合材料，在3A/g電流密度下，比容量達(dá)到150mA·h/g[28]。Kong Dezhi等制得三維蒲公英狀Li4Ti5O12/石墨烯微球，提升了導(dǎo)電性，在120mA/g下循環(huán)500次后容量保持在206mA·h/g，并在1.92A/g下保持120mA·h/g的容量。

　　林子夏通過在熱剝離的石墨烯層間原位生長Li4Ti5O12顆粒得到復(fù)合材料，其在5C倍率下循環(huán)5 000次后容量只衰減了6%，有極高的循環(huán)壽命。可逆比容量由0.2C時的162mA?h/g到50C時的117mA?h/g僅衰減27.8%，有良好的倍率性能。樊曉東通過水溶液法制得TiO2/rGO復(fù)合材料，其在15mA/g的電流密度下充電容量為289.1mA?h/g，庫侖效率為95.73%，循環(huán)50次后為271.6mA?h/g。

       石墨烯的特質(zhì)使得在鋰電池中加入石墨烯時，石墨烯能夠為鋰電池的負(fù)極增加容量，進(jìn)而提升鋰電池中的電子傳輸速度，優(yōu)化鋰電池性能。