中国粉体网讯 纳米石墨化碳具有的优异电学性能及纳米尺度结构特征使其在解决锂离子电池中高导电性、导热性、充放电过程中的柔性及结构稳定性等方面发挥了重要作用。碳材料在锂离子电池中一直被广泛使用。例如，带来了锂电池商业化革命、解决了金属锂电池安全问题的石墨插层技术、实现碳包覆磷酸铁锂正极材料等。方方面面均表明了其在锂离子电池系统中重要作用。
1 纳米石墨化碳在锂电池负极中的应用
碳纳米管＋负极活性材料
碳纳米管是一种石墨化结构的碳材料，导电性能好，极化作用较小，可提高电池的大倍率充放电性能。然而，碳纳米管直接作为锂电池负极材料时，会存在不可逆容量高、电压滞后及放电平台不明显等问题。尽管如此，我们仍须看到碳纳米管的研究历史仅有20年，在碳纳米管结构的精确控制方面仍缺乏手段。随着碳纳米管制备技术的进一步提升，仍有望针对负极材料结构要求实现碳纳米管负极材料的可控制备。
石墨烯＋负极活性材料
理想石墨烯材料具有单层的石墨结构，锂离子的插入过程中能同时在石墨烯片层双侧进行。故石墨烯可与锂离子形成Li2C6的结构，理论容量为传统石墨类材料的2倍。与此同时，石墨烯片层边缘以及石墨烯之间相互搭接形成的皱褶状空隙结构也贡献了大量的可逆储锂容量，如图1所示。石墨烯材料储锂的具体嵌入/脱嵌机制仍未彻底得到解释，相关的储能机制研究仍需进一步开展。
纳米石墨化碳-硅基复合材料＋负极活性材料
硅是一类重要的锂离子电池负极材料，作为一种储量十分丰富的材料，其可以合金的形式与锂离子合成，从而具有高达4200 mA•h/g的理论容量；同时，硅材料也具有较低的放电电位，有利于构建新型高能量锂离子电池。然而，硅材料在充放电过程中与锂离子形成合金的过程中体积变化可达400%，导致硅基材料在数个循环后迅速粉化失效。解决这一问题的主要途径是实现硅材料本身的纳米化，以及通过硅与纳米碳材料复合结构获得稳定性更高的材料。
纳米石墨化碳-金属氧化物复合物＋负极活性材料
大量的金属氧化物也可作为负极材料使用，包括SnO2、TiO2、Co3O4、MnO2、Fe3O4等。与硅材料类似，高容量的金属氧化物负极材料的应用也受到低电导率以及充放电过程显著的体积效应的影响。
纳米石墨化碳可以在纳米尺度上实现其与金属氧化物的复合，从而克服其导电性差的缺点，降低充放电过程中极化的现象；另一方面也为金属氧化物颗粒提供了力学骨架，避免粉化带来的容量衰减。金属氧化物/碳纳米管复合物可通过球磨、水热、电镀等过程制备。
2 纳米石墨化碳在正极材料中的应用
纳米石墨化碳在正极材料中起到的主要作用是作为力学增强及导电添加剂，以提高其功率及循环性。通常加入的较为常用的导电剂为导电炭黑，从导电网络结构角度分析，高长径比的一维碳纳米管及二维石墨烯可在低添加量下形成渗流网络，使电极材料具有较高的导电性，同时其力学性能也可以在一定程度上避免活性材料从集流体剥离带来的容量衰减。研究表明，纳米石墨化碳在钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等正极材料中均可起到提高电极性能的作用。
纳米石墨化碳＋正极材料
以磷酸铁锂正极材料为例，磷酸铁锂具有良好的循环稳定性和较高的理论储锂容量，而磷酸铁锂材料作为正极材料主要的劣势之一就是其极低的本征电子导电率。通过与导电性良好的纳米石墨化碳复合可以有效利用碳材料构建导电网络，从而获得高性能复合电极材料。
碳纳米管可用以取代正极材料中导电炭黑等导电添加剂，更高效地实现导电网络的构建。通过对比炭黑和碳纳米管在磷酸铁锂正极材料中的应用，有数据显示采用多壁碳纳米管替代导电炭黑可提高电池的初始容量，提高电池的循环稳定性，并降低电池体系的阻抗。
近20年来，纳米石墨结构碳（包括一维的碳纳米管及石墨烯等）无论在其概念、结构表征到制备应用等方面都得到了长足的进步，已有众多研究组开发了基于纳米石墨化碳的高性能锂离子电池电极材料，在许多方面大大超越了现有电极材料的性能级别，有望大幅推进锂离子电池性能的提高，进一步开展机理研究和过程研究将对新一代高能量、高功率锂离子电池的开发具有重要推动作用。
