昨天，关注石墨烯和锂电池很多朋友被“中科院研制出高性能石墨烯锂离子电池”的消息给刷屏了，
让我先看看这篇报道都说了啥，
从中科院网站获悉，中国科学院合肥物质科学研究院在研制高性能石墨烯锂离子电池方面取得新成果，研制了具有高容量长寿命的三维石墨烯纳米复合锂离子电池材料，具有高的活性材料负载量、短的离子电子传输路径，并且具有高容量和优良的循环稳定性。
研制的三维石墨烯/五氧化二钒电池正极材料，在12分钟完全充/放电条件下，循环2000次后电池容量大于200mAh/g;而且1分钟充电的容量，达到商用和文献报道的大于5分钟的相近容量。
该研究成果发表在材料领域国际权威期刊《AdvancedMaterials》（先进材料）（Adv. Mater. 2016, 28, 7696-7702），并且被选为卷首论文。
简单的说，就是研制出了一种石墨烯复合锂离子电池电极材料，具有高容量、长寿命和较好的循环稳定性，表面上来看就是一个不错的科研成果呀？为什么会这么引人关注呢？下面小编带你分析分析。
1目前电极材料已成为制约锂电池发展的核心
从便携式电子设备到新能源电动汽车，都对高性能锂离子电池都具有迫切需求。作为锂离子电池的核心，电极活性材料普遍要求具有高容量和能量密度、长期循环稳定和安全性。为了获得高容量和能量密度，活性材料在电极中的比例应最大化；循环稳定和安全性则要求电池材料具有优良的电子传输和离子扩散性能。
正极材料：
目前，锂电池正极材料主要有以下几种，他们也是谁也看不上谁，互有优缺点，
其中最有希望的是三元材料（LiNixCoyMnzO2），具有比容量高、循环寿命长、安全性能好、价格低廉等特征，当然也有工作平台电压较低（3.6V），层状结构易塌陷等缺点，目前日韩的三元材料研究相对比较成熟，我们不多说。
负极材料：
锂离子电池能否成功应用，关键还在于能否制备出可逆地脱嵌锂离子的负极材料，这类材料要求具有：
①在锂离子的反应中自由能变化小；
②锂离子在负极的固态结构中有高的扩散率；
③高度的可逆反应；
④有良好的离子电导率；
⑤热力学性质。
目前应用最普遍的还是碳家族的负极材料，当然也是一个大家族：
石墨是最早用于锂离子电池的碳负极材料，石墨可以分为天然石墨和人造石墨，其结构是层状结构，其碳原子呈六角形排列并向二维方向延伸，层间距为0.335 nm，成本低、比容量高、导电性好、初充电效率高、充放电电压曲线稳定、插锂电位低等特性。当然，石墨也有很多缺点，
2石墨烯因逆天性能被看做理想的电极材料
下面就该我们的主角之一——石墨烯登场啦!
2004 年，Manchester 大学的GEIM 等首次用机械剥离法获得了单层或薄层的新型二维原子晶体——石墨烯。石墨烯是一种结构独特并且性能优异的新型材料，它是由碳原子以sp2 杂化连接的单原子层二维蜂窝状结构，被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元，如图1 所示。
石墨烯的发现在充实了碳材料家族的同时，也充实了储能材料优化及改性的方法体系。由于石墨烯具有高导电性、高导热性、高比表面积、高强度和刚度等诸多优良特性，在储能、光电器件、化学催化等诸多领域获得了广泛的应用，特别是在未来实现基于石墨烯材料的高能量密度、高功率密度应用有着非常重要的理论和工程价值。
理想的石墨烯是真正的表面性固体，其所有碳原子均暴露在表面，具有用作锂离子电池正负极材料的独特优势：
1) 石墨烯具有超大的比表面积(2630 m2/g)，比表面积的增大可以降低电池极化，减少电池因极化造成的能量损失。
2) 石墨烯具有优良的导电和导热特性，即本身已具有了良好的电子传输通道，而良好的导热性确保了其在使用中的稳定性。
3) 在聚集形成的宏观电极材料中，石墨烯片层的尺度在微纳米量级，远小于体相石墨的，这使得Li+在石墨烯片层之间的扩散路径较短；而且片层间距也大于结晶性良好石墨的，更有利于Li+的扩散传输。因此，石墨烯基电极材料同时具有良好的电子传输通道和离子传输通道，非常有利于锂离子电池功率性能的提高。
商业化锂离子电池石墨负极的理论容量为372mA·h/g。为实现锂离子电池的高功率密度和高能量密度，提高锂离子电池负极材料的容量是一个关键性问题。无序或比表面积高的热还原石墨烯材料具有大量的微孔缺陷，能够提高可逆储锂容量。
因此，相对石墨材料，石墨烯的储锂优点有：
1) 高比容量：锂离子在石墨烯中具有非化学计量比的嵌入−脱嵌，比容量可达到700~2000mA·h/g，远超过石墨材料的理论比容量372mA·h/g(LiC6)；
2) 高充放电速率：多层石墨烯材料的面内结构与石墨的相同，但其层间距离要明显大于石墨的层间距，因而更有利于锂离子的快速嵌入和脱嵌。
3理想很丰满，现实很骨感
这样看来，石墨烯作为负极材料简直就是太完美了！但是，金无足赤，人无完人，石墨烯这种理想材料还是有缺陷的，而且还不是小缺陷，
1) 制备的单层石墨烯片层极易堆积。丧失了因其高比表面积而具有的高储锂空间的优势；
2) 首次库伦效率低。由于大比表面积和丰富的官能团及空位等因素，循环过程中电解质会在石墨烯表面发生分解，形成SEI 膜，造成部分容量损失，因此首次库伦效率与石墨负极相比明显偏低，一般低于70%；同时，碳材料表面残余的含氧基团与锂离子发生不可逆副反应，填充碳材料结构中的储锂空穴，造成可逆容量的进一步下降；
3) 初期容量衰减快。一般经过十几次循环后，容量才逐渐稳定；
4) 存在电压平台及电压滞后等缺陷。
所以，将石墨烯和其他材料进行复合制作成石墨烯基复合负极材料是现在锂电池研究的热点，也是今后发展的趋势。
这方面大家做了非常多的工作，但是主要问题还是纠结于以下几点：
1) 石墨烯和石墨烯复合电极在比容量、电压特性、内阻、充放电性能、循环性能、倍率性能等电化学性能方面已经表现出了优异的特性。但是，碳质材料微观结构的复杂性，材料结构和电极的电化学性能间的关系制约着高性能、高效能锂离子电池的发展。
2) 锂盐电解质在碳负极表面形成钝化薄膜(SEI膜)，致使石墨烯电极在首次充放电过程中的库伦效率只有50%~70%，不可逆比容量损失高达30%~50%。
3) 为了进一步解决目前存在的循环寿命差、快速大电流充放电性能不佳、能量密度和功率密度较低等缺陷，应该深入研究大规模工业化生产单层或几层石墨烯材料的方法、加大对石墨烯材料充放电机理的研究，提出构建合理有效微观形貌石墨烯材料的可行性方法，并深入研究石墨烯的尺寸、结构、缺陷及孔径等因素对石墨烯材料电化学性能的影响。
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