碳纳米管与石墨烯在储能电池中运用分析

碳纳米管与石墨烯在储能电池中运用分析

杜凡

陕西榆能集团能源化工研究院有限公司    陕西省榆林市   719000

摘要：为进一步加强传统能源清洁高效利用，加快规划建设新型能源体系，如期实现“双碳”目标，储能电池便应时而生。其中，碳纳米管和石墨烯是两种导电能力非常好、应用较广泛的负极材料，分析其在储能电池当中的应用可以有效提升电池的工作效率。基于此，本文主要是以两种材料的理论为基础，分析了碳纳米管和石墨烯在复合电极、负极活性材料、导电等方面的运用情况，从而提升材料的应用效率，使储能电池发挥出应有的功能。

关键词：碳纳米管；石墨烯；储能电池

引言：目前全球环境变暖，如果不能及时解决环境问题，将会给人们的生活带来极大的危害，为了能够更好的保护环境，减少煤炭石油等能源的应用，就要采用储能电池，它主要是利用太阳能和风能等自然资源进行发电，极大的维护了能源再生。而碳纳米管和石墨烯则是储能电池中的主要材料和动力，分析其在储能电池中的应用，可以提升电池的工作效率，增强其稳定性。

1.碳纳米管与石墨烯概述

碳纳米管可以说是一种特殊的管状的碳材料，尺寸为一维纳米，它具有较强的力学、电学以及光热学的特点，因为这一特点，所以碳纳米管在各个领域中都具有比较广泛的运用，其中在锂电子电池领域中，此材料的运用效果是最好的。对于石墨烯材料来说，它是新生的一个碳材料，由碳原子转化而来，是一种单层的片状结构[1]。石墨烯的主要特点是具有比较高的比表面积，而且导电率在所有碳材料之上，而且石墨烯内部的各种衍生物，本身也含有大量的能量团，是可以为多个纳米材料提供生长位点。由石墨烯所组成的复合结构是能够对电池中纳米电极材料进行抑制，一旦电极材料的体积超过了正常的范围，那么就可以进行抑制，从而保证材料在电池中的稳定性。总之，碳纳米管和石墨烯的很多特性都能够在储能电池方面进行运用，促使储能电池更加的完善。

2.在复合电极材料中的运用

2.1碳纳米管的复合电极材料

碳纳米管的导电性能非常强，而且能够帮助构造相对完善的电子传导网络，所以把它应用在电极材料中，形成复合电极，这一复合材料的化学性能和电学性能都非常好。当碳纳米管与电极材料进行复合的时候，复合的方法是多种多样的，可以通过溶胶、化学沉积、物理研磨等方法，把电极材料从碳纳米管中分离出来，形成复合电极材料。纳米颗粒是可以均匀的依附在碳纳米管当中，使材料形成良好的导电性能，结构也非常的稳定。目前锂离子的电极材料，由于其导电性能比较低，而且纳米颗粒容易出现聚集的现象，不利于应用，所以把碳纳米管应用在电极材料中，使碳纳米管为电极提供良好的导电路径，增强导电功能，也能让纳米颗粒均匀的在电极中分布，减少聚集情况。只有形成了复合材料，才能提升整个电池的密度，增加了储能电池的容量。

2.2石墨烯的复合电极材料

石墨烯在运用的过程中大体采用两个方法，第一种是可以通过物理混合方法，把已经制作完成的电极材料融入到石墨烯当中，使两者进行融合，形成复合电极材料。采用这一方法可以将活性材料的结构和特征进行控制，让其与石墨烯的混合更加的完善。第二种是将活性的电极材料直接生长在石墨烯基底，这样就能提升电极和石墨烯的连接情况，从而抑制粒子的凝聚，形成了“石墨烯——电极材料——石墨烯”的一种复合结构[2]。具体的操作方法是先在石墨烯上均匀生长出前驱体的粒子，然后利用热反应，将GO还原成了RGO，从而获得一种新型的复合结构。对这一复合电极材料进行试验的时候，容量高达了900mAh/g，由此可以了解到，石墨烯在复合电极的应用中，提升了电极的容量，导电效率也得到了增加，大大提高了电极的倍率性能。

3.在储能电池中负极活性材料的运用

3.1碳纳米管负极活性材料

碳纳米管的循环容量范围是在300-600mAh/g当中，所以在应用的过程中能够发挥出稳定的效果。在应用的过程中可以采用原子杂糅的方法，在碳纳米管中引入大部分的缺陷位，为电子的导带提供了电子载体，从而提升碳纳米管的导电能力。具体的做法则是，在制备了多个缺陷位之后，把缺陷位掺杂在纳米管上，增强其储存锂材料的性能。把氮衣服在纳米管的管壁上，不但能够使碳纳米管自身存在强大的储存锂材料的能力，而且也利于各个锂材料之间的传输，提升储能电池中的储锂性能。但是由于碳纳米管自身的不可逆容量较大，在应用的时候就会出现不能循环的情况，使锂资源出现了浪费，同时碳纳米管在防电的过程中，电压的变化范围也比较大，导致放电并不稳定。为了能够更好的解决这些应用上的问题，就要对碳纳米管的管壁、管径等进行优化，例如，可以在管壁上钻孔，便于锂离子能够从碳纳米管中分离出来，使其可逆容量、防电效率都得到提升。

3.2石墨烯负极活性材料

石墨烯种类是比较多的，虽然不同种类的石墨烯在性质上存在一定的差异，但是在负极活性材料中进行运用的时候都具有很高的容量。氧化类的石墨烯，它的官能团能量比较高，但是由于本身的导电性能比较低，所以稳定性和容量就会受到一定的限制。而通过还原方法产生的石墨烯材料，具有比较完整的平面导电结构，在相关的放电率中，还原石墨烯材料的稳定性也就更好。在运用的时候，把氮、硫等材料融合在石墨烯当中，从而形成了负极活性材料，通过石墨烯的运用，可以提升导电效果，优化导电结构，充分的应用在储能电池中，使电池的放电、储电情况能够得到有效的提升。

4.对于电池导电的运用

4.1碳纳米管与硫的复合结构

硫是电池中的主要导电载体，但是因为硫的导电性差，从而就会降低储能电池中的倍率性能，导致对电池的锂负极产生了破坏。为了解决这一问题，就需要把碳纳米管和硫进行融合，产生新型的复合导电结构。主要应用的方法就是将两个材料同时放置在155摄氏度下进行加热，这个时候硫是以液态形式产生的，在进行融合之后，就会产生两种类型的复合结构，分别是硫包覆、硫封装的结构。其中硫包覆碳纳米管的结构，在工艺制作方面比较简单，导电和机械能力都比较强，这一导电结构可以负担的硫质量大约在70%左右，而且可以直接当做电极进行使用，导电密度比较高[3]。硫封装碳纳米管的导电结构，主要是提升了硫的活性物质，利用碳纳米管的截留作用，降低了硫的丧失，经过试验，经过了1000周的循环后，此导电结构的容量仍在850mAh/g的范围中，促进了储能电池的导电、储电质量。

4.2石墨烯与硫的复合结构

不同类型的石墨烯与硫进行融合后，导电情况也是不同的，由于石墨烯材料本身就具备很强的导电作用，所以与硫进行普通的融合，也可以提升电极活性材料的利用效率。此外，由于石墨烯自身的弹性比较大，那么就能够为电极在脱硫过程中产生的体积变化提供一定的缓冲空间，从而保证电池可以稳定的循环。主要融合的方法就是，采用稀酸盐，利用硫和石墨烯之间的化学反应，在剥离了石墨烯结构的过程中，也让硫直接进入到石墨烯的基底中，形成了导电性能良好的新型复合结构。而在形成的复合结构中，硫的含量为87%，但是由于硫是采用原位生成的方式直接长在石墨烯的基底，所以高含量的硫对复合结构的导电作用是没有影响的，导电效率可以达到90%以上。

结论：综上所述，对碳纳米管和石墨烯在储能电池中的运用进行分析，可以提升储能电池的容量，促进其放电性能和充电性能的提升。在上述的分析中可以了解到，由于碳纳米管和石墨烯都具有比较强的传导性和抗电性，所以在储能电池各个材料、载体的运用中能够发挥出很好的性能，增加了电极的容量。

参考文献：

[1]文芳,彭小坡,张双红.石墨烯基三元复合导电浆料的制备及性能研究[J].广州化工,2022,50(17):53-57.

[2]孙江兰,邹喜道,牛志强.氧化石墨烯与功能化碳纳米管增强水泥基材料力学性能研究[J].公路,2022,67(09):365-373.

[3]汤梦瑶,孙天一,李佳书.石墨烯与碳纳米管氢吸附性能的分子模拟[J].石油化工高等学校学报,2022,35(04):10-17.