石墨烯是目前最为先进的二维材料之一，具有诸多的优异性能，例如高电导率，超高的强度和良好的导热性，这都使得石墨烯成为如今最为火热的材料之一，将石墨烯优异的电化学性能与锂离子电池结合是我们电池人的梦想。纳米技术可制备具有纳米尺度的材料，减少Li+扩散距离，显著提升材料的倍率性能，但是纳米材料也会带来振实密度下降、高比表面积的问题，导致电极材料的副反应增加，限制了纳米技术在锂离子电池上的应用。
近日来自美国西北大学材料科学与工程学院的Kan-Sheng Chen等人将两种技术结合在了一起，制备了石墨烯包覆纳米锰酸锂（nano-LMO）材料，不仅仅充分利用了石墨烯材料的高性能，还解决了纳米材料副反应多的问题，该材料具有优异的倍率性能和低温性能，室温下，20C大倍率下能获得初始容量的75%，在-20℃下容量几乎没有衰降。
实验中Kan-Sheng Chen制备了nano-LMO（66.7wt%），石墨烯纳米片（7.3wt%）浆料，乙基纤维素（26wt%）作为稳定剂，NMP作为溶剂的浆料。其中石墨烯不仅仅作为导电剂，研究显示石墨烯还能够在纳米LMO颗粒的表面形成一层薄的界面膜结构，从而显著的改善LMO材料的界面稳定性，减少Mn元素的溶解。在利用超声波分散后，将浆料涂布在Al箔的表面，经过干燥后，LMO会与石墨烯片形成稳定、高密度和均匀的电极层。最后将电极在285℃下焙烧3h获得无粘接剂电极，电极的活性物质含量为90wt%，导电剂的含量为10wt%。
SEM研究显示，该方法很好的抑制了纳米颗粒的团聚，石墨烯片也均匀的分散在电极之中，高分辨率TEM显示，在LMO颗粒的表面也包覆了一层石墨烯。
该电极的电化学性能测试结果如下图所示，图a为扣式电池充放电数据，无论是充电还是放电，电池均呈现出了4.0V和4.1V两个电压平台。图b是电池的dQ／dV曲线，从图上我们可以看到充放电峰仅相差10mV，表明电池的极化很小，具有良好的反应动力学特性。从图c和图d我们可以看到相比于没有经过石墨烯处理的LMO材料，石墨烯包覆后显著的提升了LMO材料循环性能，在半电池中循环350次容量保持率为95%，对照组仅为80%。在石墨负极的全电池中，石墨烯包覆后的LMO材料具有几乎与半电池相同的循环性能，但是对照组的电池循环250次后，容量衰降就超过了35%。这表明石墨烯包覆层很好的稳定了LMO／电解液界面，减少了Mn的溶解，提高了电池的循环性能。
高温下（55℃）石墨烯包覆层依然很好的保护了LMO材料，石墨烯包覆的LMO材料在55℃下循环200次，容量保持率为80%，远高于对照组没有经过石墨烯包覆的LMO材料。石墨烯处理的实验组电池（左图）和没有经过石墨烯处理的对照组电池（右图）充放电电压曲线如下图所示，从图上可以看到实验组电池的充放电电压平台没有显著的变化，但是对照组的电压平台随着循环次数的增加持续衰降。这表明在循环的过程中，对照组电池的内阻显著的增加，这主要是由于高温下Mn的溶解导致LMO材料的阻抗持续升高造成的。
电池的倍率性能测试结果如下图所示，从图上可以看到，相比于没有石墨烯包覆的对照组LMO，经过石墨烯包覆后LMO的倍率性能明显提高，参照0.2C的容量，石墨烯包覆LMO在1C、5C、10C和15C、20C，电池的容量保持率分别为100%，95%，90%，85%和75%。
Kan-Sheng Chen的研究显示，石墨烯包覆LMO在低温下同样具有良好的电化学性能，下图为石墨烯包覆的实验组LMO（左图）和没有经过石墨烯包覆的对照组LMO低温性能曲线（右图）。从结果上我们可以看到，LMO经过石墨包覆处理后，低温性能大大提高，在-20℃，0.2C下可以发挥25℃常温容量的96%，1C可以发挥88%，研究表明这主要是因为石墨烯包覆显著的改善了LMO的电荷交换效率，提高了LMO的低温性能。
Kan-Sheng Chen等研发的新型石墨烯增强nano-LMO电极制备技术，不但很好克服了nano-LMO副反应多，压实密度低等问题，石墨烯片还能够包覆在LMO表面，改善LMO/电解液的界面稳定性，减少Mn的溶解，提升电池的循环性能。石墨烯良好的导电性，也极大的提高了LMO电极的倍率性能和低温性能。
稿件来源： 新能源Leader
