墨烯（Graphene）是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。并且，石墨烯在自然界也有產出，它體現為高能物理狀態下的圈量子的粒子態相。

　　石墨烯具有獨特的二維結構、優異的性能和各種潛在的應用價值，是當前材料科學領域研究的熱點，石墨烯基納米材料是一種很有吸引力的鋰離子電池電極材料，尤其針對高能量密度與高功率密度電池。　　

? ? ?石墨烯電池，利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發出的一種新能源電池。

　　石墨烯電池的原理

　　石墨烯電池利用環境熱量自行充電的試驗

　　石墨烯電池在飽和氯化銅溶液中，時間（小時、天數）和產生電壓的關系。

　　實驗制成電路其中包含LED，用電線連接到帶狀石墨烯。他們只是把石墨烯放在氯化銅（copper chloride）溶液中，進行觀察。LED燈亮了。實際上，他們需要6個石墨烯電路，形成串聯，這樣就可產生所需的2V，使LED燈發亮，就可以得到這個圖片。

　　徐子涵和同事說，這里發生情況就是銅離子具有雙重正電荷，穿過溶液的速度約每秒300米，因為溶液在室溫下的熱能量。當離子猛烈撞入石墨烯帶時，碰撞會產生足夠的能量，使不在原位的電子離開石墨烯。電子有兩種選擇：可以離開石墨烯帶，和銅離子結合，也可以穿過石墨烯，進入電路。

　　原來，流動的電子在石墨烯中更快，超過它穿過溶液的速度，所以電子自然會選擇路徑，穿過電路。正是這一點點亮了LED燈“釋放的電子更傾向于穿過石墨烯表面，而不是進入電解液。設備就是這樣產生電壓的，”徐子涵說。

　　因此，這個裝置產生的能量來自周圍環境的熱量。他們可以提高電流，只需加熱溶液，也可用超聲波加快銅離子。只依靠周圍熱量，就可以使他們的石墨烯電池持續運行20天。但是，還有一個重要的問號。另一個假設是某種化學反應產生電流，就像普通的電池。

　　然而，徐子涵和同事說，他們排除了這一點，因為進行了幾組控制實驗。然而，這些是在一些補充材料中介紹的，他們似乎并沒有放在arXiv網站上。他們需要趕在別人做出嚴肅聲明之前公開。從表面價值來看，這看起來是一項非常重要的成果。其他人也在石墨烯中產生過電流，但只是讓水流過它，所以這并不真的使人吃驚，移動的離子也可以產生這樣的效果。這預示著清潔的綠色電池，只依靠環境熱量驅動。徐子涵和同事說：“這代表著一個巨大的突破，研究的是自驅動技術”。

　　石墨烯在鋰電正極和負極材料的應用前景

　　正極材料

　　當前市場常見的正極材料是鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料（鎳鈷錳酸鋰）和磷酸鐵鋰。在動力電池領域，錳酸鋰和磷酸鐵是最有前途的正極材料。

　　負極材料

　　主導鋰電池市場的負極材料-------石墨

　　優點：價格低廉，來源廣泛。

　　缺點：電容量小，循環使用衰減大，壓實密度低。

　　未來可能應用的負極材料------非炭基負極材料，例如過渡金屬氧化物、硅基材料和合金材料。

　　優點：電容量遠超于石墨。

　　缺點：存在一個致命的體積膨脹效應，循環性能差。

天然石墨（a）與石墨烯（b）電極前三次充放電曲線

　　石墨烯是近年來研究較多的一種新型材料，具有良好的導電性能和倍率性能，在鋰離子電池正極材料和負極材料領域極具應用潛力。

　　在正極復合材料中，石墨烯二維高比表面積的特殊結構及優異的電子傳輸能力，能有效改善正極材料的導電性能，提高鋰離子的擴散傳輸能力。相比于傳統導電添加劑，石墨烯導電劑的優勢在于能用較少的添加量，達到更優異的電化學性能。此外，也有石墨烯包覆正極材料如磷酸鐵鋰，錳酸鋰的相關報道。

　　負極材料方面，純石墨烯材料由于首次循環庫侖效率低、充放電平臺較高以及循環穩定性較差，并不能取代目前商用的碳材料直接作為鋰離子電池負極材料使用。但石墨烯可以作為一種優異的基體材料在鋰電池復合電極材料中發揮更大的作用。將石墨烯與天然石墨、碳納米管、富勒烯等碳材料復合，能利用石墨烯的特殊片層結構，改善材料的力學性能和電子傳輸能力。同時，摻雜后的石墨烯片層間距增大，提供更多的儲鋰空間。

石墨烯的應用前景

石墨烯的應用方向

　此外，石墨烯還可以用于改性其他非碳基負極材料。目前研究的鋰離子電池非碳基負極材料主要有錫基、硅基以及過渡金屬類為主的電極材料，這類材料具有高理論容量，但其缺點是在嵌鋰/脫鋰過程中體積膨脹收縮變化明顯。石墨烯摻雜改性后的復合材料能改善這兩種材料單獨使用時的缺點。

　　其優勢主要體現在以下幾方面：