石墨烯作為21世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的物理、化學(xué)性能最為優(yōu)異的材料，在能量存儲(chǔ)、半導(dǎo)體制備、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用被寄于厚望。目前的研究熱點(diǎn)是石墨烯在能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用，如鋰離子電池、超級(jí)電容器等。

石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用

鋰離子電池由索尼公司第一次商業(yè)化應(yīng)用，具有電池容量大、能量密度高、自放電低、工作溫度圍寬的優(yōu)點(diǎn)，在日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)顯示，2017年，我國(guó)鋰電池行業(yè)消費(fèi)量達(dá)到9.15萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)8.80%。

目前石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用主要有三個(gè)方面，分別為作為負(fù)極材料、正極材料以及導(dǎo)電添加劑。

石墨烯在鋰電子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用最為成熟，目前已經(jīng)相繼在石墨烯改性硅基材料、石墨烯改性錫基氧化物、石墨烯改性過(guò)渡金屬類(lèi)材料、石墨烯改性其他碳材料等改性材料作為鋰電池負(fù)極材料應(yīng)用中取得進(jìn)展。

石墨烯在鋰離子電池正極材料中的應(yīng)用近年來(lái)也得到了廣泛關(guān)注，主要是石墨烯二維高比表面積的特殊結(jié)構(gòu)以及其優(yōu)異的電子傳輸能力。目前研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)改性LiFePO4石墨烯具有良好的導(dǎo)電性能。開(kāi)發(fā)出導(dǎo)電性更好的改性材料是未來(lái)石墨烯在正極材料應(yīng)用中的技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)。

而石墨烯作為導(dǎo)電添加劑的研究工作目前尚處于初級(jí)階段，相關(guān)研究還局限在低倍率條件下的循環(huán)性能和比容量的提高，未來(lái)研究方向?qū)?huì)在高倍率條件下的循環(huán)性能和比容量的提高。

石墨烯在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

超級(jí)電容器是一種介于電池和傳統(tǒng)靜電電容器之間的新一代能源裝置，因?yàn)槌浞烹姷倪^(guò)程始終只涉及物理變化，所以超級(jí)電容器具有性能穩(wěn)定、充電時(shí)間短、循環(huán)次數(shù)多、電容量大等特點(diǎn)，在能源存儲(chǔ)、電動(dòng)工具、交通設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備、通信等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

石墨烯在超級(jí)電容器的應(yīng)用，可顯著提高能量密度。受到電極材料的制約，現(xiàn)有超級(jí)電容器能量密度大都低于50Wh/kg。石墨烯的比表面積為2630m2/g，將其應(yīng)用于超級(jí)電容電極材料，可顯著提高超級(jí)電容器的能量密度。目前已有實(shí)驗(yàn)室成果做到儲(chǔ)能密度達(dá)170Wh/kg，大大超過(guò)現(xiàn)有超級(jí)電容器的能量密度。但是在電容器組裝過(guò)程中，因?yàn)槭﹫F(tuán)聚現(xiàn)象的存在，使得相應(yīng)超級(jí)電容器的能量密度受限，現(xiàn)有研究方向是通過(guò)改變電解液種類(lèi)、石墨烯形貌以及石墨烯基復(fù)合電極材料為主。

目前石墨烯電容器尚處于研發(fā)階段，但就已有的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，超級(jí)電容器的技術(shù)難度并不十分高，制造成本也相對(duì)較低，未來(lái)產(chǎn)業(yè)化前景可期。

石墨烯在其它領(lǐng)域的應(yīng)用

石墨烯因其優(yōu)異的電化學(xué)特性，除了在鋰離子電池、超級(jí)電容器中應(yīng)用之外，還被用于其它領(lǐng)域。

例如，利用石墨烯超高的電子遷移特性制備太陽(yáng)能電池材料，以大幅度提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率;利用石墨烯超強(qiáng)優(yōu)異的柔韌特性，制備柔性材料，用于柔性顯示器、可穿戴設(shè)備等;利用石墨烯對(duì)生物的低毒性及極高的載流子傳輸能力制備藥物載體，使得石墨烯在生物醫(yī)藥和生物診斷方面具有廣闊的應(yīng)用前景;借助石墨烯優(yōu)異的物理化學(xué)穩(wěn)定性，石墨烯基重防腐涂料已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)示范應(yīng)用階段;石墨烯因極高的導(dǎo)熱特性及特殊的孔隙結(jié)構(gòu)還被用作制備高效熱電材料以及海水淡化等領(lǐng)域。

可以預(yù)見(jiàn)，石墨烯在未來(lái)各個(gè)領(lǐng)域都有極其重要的應(yīng)用價(jià)值，發(fā)展前景廣闊，市場(chǎng)潛力巨大。