石墨烯是目前最為先進(jìn)的二維材料之一，具有諸多的優(yōu)異性能，例如高電導(dǎo)率，超高的強(qiáng)度和良好的導(dǎo)熱性，這都使得石墨烯成為如今最為火熱的材料之一，將石墨烯優(yōu)異的電化學(xué)性能與鋰離子電池結(jié)合是我們電池人的夢想。納米技術(shù)可制備具有納米尺度的材料，減少Li+擴(kuò)散距離，顯著提升材料的倍率性能，但是納米材料也會帶來振實(shí)密度下降、高比表面積的問題，導(dǎo)致電極材料的副反應(yīng)增加，限制了納米技術(shù)在鋰離子電池上的應(yīng)用。

　　近日來自美國西北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的Kan-Sheng Chen等人將兩種技術(shù)結(jié)合在了一起，制備了石墨烯包覆納米錳酸鋰（nano-LMO）材料，不僅僅充分利用了石墨烯材料的高性能，還解決了納米材料副反應(yīng)多的問題，該材料具有優(yōu)異的倍率性能和低溫性能，室溫下，20C大倍率下能獲得初始容量的75%，在-20℃下容量幾乎沒有衰降。

 

 

　　實(shí)驗(yàn)中Kan-Sheng Chen制備了nano-LMO（66.7wt%），石墨烯納米片（7.3wt%）漿料，乙基纖維素（26wt%）作為穩(wěn)定劑，NMP作為溶劑的漿料。其中石墨烯不僅僅作為導(dǎo)電劑，研究顯示石墨烯還能夠在納米LMO顆粒的表面形成一層薄的界面膜結(jié)構(gòu)，從而顯著的改善LMO材料的界面穩(wěn)定性，減少M(fèi)n元素的溶解。在利用超聲波分散后，將漿料涂布在Al箔的表面，經(jīng)過干燥后，LMO會與石墨烯片形成穩(wěn)定、高密度和均勻的電極層。最后將電極在285℃下焙燒3h獲得無粘接劑電極，電極的活性物質(zhì)含量為90wt%，導(dǎo)電劑的含量為10wt%。

　　SEM研究顯示，該方法很好的抑制了納米顆粒的團(tuán)聚，石墨烯片也均勻的分散在電極之中，高分辨率TEM顯示，在LMO顆粒的表面也包覆了一層石墨烯。

 

 

　　該電極的電化學(xué)性能測試結(jié)果如下圖所示，圖a為扣式電池充放電數(shù)據(jù)，無論是充電還是放電，電池均呈現(xiàn)出了4.0V和4.1V兩個電壓平臺。圖b是電池的dQ／dV曲線，從圖上我們可以看到充放電峰僅相差10mV，表明電池的極化很小，具有良好的反應(yīng)動力學(xué)特性。從圖c和圖d我們可以看到相比于沒有經(jīng)過石墨烯處理的LMO材料，石墨烯包覆后顯著的提升了LMO材料循環(huán)性能，在半電池中循環(huán)350次容量保持率為95%，對照組僅為80%。在石墨負(fù)極的全電池中，石墨烯包覆后的LMO材料具有幾乎與半電池相同的循環(huán)性能，但是對照組的電池循環(huán)250次后，容量衰降就超過了35%。這表明石墨烯包覆層很好的穩(wěn)定了LMO／電解液界面，減少了Mn的溶解，提高了電池的循環(huán)性能。

 

 

 

　　高溫下（55℃）石墨烯包覆層依然很好的保護(hù)了LMO材料，石墨烯包覆的LMO材料在55℃下循環(huán)200次，容量保持率為80%，遠(yuǎn)高于對照組沒有經(jīng)過石墨烯包覆的LMO材料。石墨烯處理的實(shí)驗(yàn)組電池（左圖）和沒有經(jīng)過石墨烯處理的對照組電池（右圖）充放電電壓曲線如下圖所示，從圖上可以看到實(shí)驗(yàn)組電池的充放電電壓平臺沒有顯著的變化，但是對照組的電壓平臺隨著循環(huán)次數(shù)的增加持續(xù)衰降。這表明在循環(huán)的過程中，對照組電池的內(nèi)阻顯著的增加，這主要是由于高溫下Mn的溶解導(dǎo)致LMO材料的阻抗持續(xù)升高造成的。

 

 

　　電池的倍率性能測試結(jié)果如下圖所示，從圖上可以看到，相比于沒有石墨烯包覆的對照組LMO，經(jīng)過石墨烯包覆后LMO的倍率性能明顯提高，參照0.2C的容量，石墨烯包覆LMO在1C、5C、10C和15C、20C，電池的容量保持率分別為100%，95%，90%，85%和75%。

 

 

 

　　Kan-Sheng Chen的研究顯示，石墨烯包覆LMO在低溫下同樣具有良好的電化學(xué)性能，下圖為石墨烯包覆的實(shí)驗(yàn)組LMO（左圖）和沒有經(jīng)過石墨烯包覆的對照組LMO低溫性能曲線（右圖）。從結(jié)果上我們可以看到，LMO經(jīng)過石墨包覆處理后，低溫性能大大提高，在-20℃，0.2C下可以發(fā)揮25℃常溫容量的96%，1C可以發(fā)揮88%，研究表明這主要是因?yàn)槭┌诧@著的改善了LMO的電荷交換效率，提高了LMO的低溫性能。

 

 

 

　　Kan-Sheng Chen等研發(fā)的新型石墨烯增強(qiáng)nano-LMO電極制備技術(shù)，不但很好克服了nano-LMO副反應(yīng)多，壓實(shí)密度低等問題，石墨烯片還能夠包覆在LMO表面，改善LMO/電解液的界面穩(wěn)定性，減少M(fèi)n的溶解，提升電池的循環(huán)性能。石墨烯良好的導(dǎo)電性，也極大的提高了LMO電極的倍率性能和低溫性能。