自碳納米管(CNTs)在1991年被Iijima報道以來，這種具有一維納米尺寸的管狀碳材料以其獨特的力學、電學、熱學及光學特性，在電極材料、醫學、儲氫裝置和催化劑等諸多領域得到了廣泛的應用。鋰離子電池領域是碳納米管最具潛力的應用方向之一。

石墨烯是碳材料家族的新成員，它是由碳原子以sp2雜化軌道組成的只具有一個原子層厚度的單層片狀結構材料。同碳納米管一樣，石墨烯也以其諸多優點而被廣泛的應用于儲能電池領域：(1)石墨烯具有極高的比表面積；(2)石墨烯的電導率遠超其他碳材料；(3)石墨烯衍生物如氧化石墨烯(GO)與還原氧化石墨烯(RGO)上含有的大量官能團與缺陷位可以作為多種金屬及金屬氧化物納米粒子的生長位點。

一、用于鋰離子電池復合電極材料

1、基于碳納米管的復合電極材料

由于碳納米管自身導電性能優異且易于構筑完善的電子傳導網絡，因而可將其作為導電結構與鋰離子電池電極材料結合，以獲得具有良好電化學性能的復合電極材料。碳納米管與電極材料的復合方法靈活多變，通過凝膠-溶膠法、水熱法、化學沉積法、氣相沉積法以及物理研磨等方法均可獲得碳納米管在其中均勻分布的復合電極材料。

2、以石墨烯為基底的復合電極材料

隨著條件溫和、低成本和大批量的石墨烯制備技術的不斷發展，以石墨烯為基底的復合鋰離子電池材料得到了廣泛的研究，其應用涵蓋了負極材料如Si、Ge、Sn、Mn₃O₄、SnO₂、Co₃O₄、Fe₃O₄、CuO、TiO₂、MoO₂，正極材料如Li₃V₂( PO₄)₃、V₂O₅、LiFePO₄、LiMn₂O₄及LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂等。石墨烯基復合材料的制備通常有兩種方法:一種是通過物理混合將已制備的活性電極材料直接沉積于石墨烯或氧化石墨烯基底。另一種是將活性電極材料原位反應生長于石墨烯或氧化石墨烯基底。

圖一 (a)磷酸鐵鋰/碳/石墨烯復合結構的場發射掃描電鏡圖；(b)透射電鏡圖

二、用作鋰離子電池負極活性材料

1、碳納米管負極活性材料

假設鋰離子可擴散并穩定的存儲于單壁碳納米管的內外表面，甚至多個緊密堆積的碳納米管的間隙位，則能夠獲得的理論儲鋰容量可高達1116 mAh/g。為了能將如此巨大的理論容量轉化為實際可應用的穩定的可逆容量，研究者們采用了如優化碳納米管制備方法與電極結構以及通過機械與化學后處理的方法來增加碳納米管的導電能力與可逆嵌鋰缺陷位數量的設計思路，不斷對碳納米管負極活性材料的性能加以改進。此外，通過雜原子摻雜的方法，不但可在碳納米管上引入大量缺陷位，同時由于氮原子擁有1對孤對電子可為電子導帶提供額外的電子與電子載體，因而也可提升含氮碳納米管的導電能力，從而提升電極的倍率性能與循環壽命。

2、石墨烯類負極活性材料

石墨烯類材料根據其官能團化程度的不同，可劃分為石墨烯、還原氧化石墨烯以及氧化石墨烯材料。這些材料雖然在物理與化學性質上都多有差異，但在用作鋰離子電池負極活性材料時均表現出遠高于傳統石墨的容量性能。

三、用作新型鋰硫電池復合導電載體  

1、碳納米管/硫復合結構

通過簡單的共熱處理或者原位液相反應即可將硫均勻地負載在碳納米管上，獲得具有良好導電性能的碳納米管/硫復合結構。根據負載形式與載體的不同， 可分為硫包覆碳納米管的復合結構、硫封裝入碳納米管的復合結構以及碳納米管與其他導電材料組成的復合載體。

2、石墨烯類材料/硫復合結構

不同的石墨烯類材料在鋰硫電池中用作導電支撐結構時能夠發揮出不同的作用，但其一般都具有以下優點：首先，石墨烯類材料本身具有極高的導電能力，將硫單質與其復合，可以顯著降低硫電極的電阻抗、提升活性材料的利用效率并有效提高倍率性能；其次，石墨烯類材料比表面積較高，可以通過將硫包覆在兩個臨近的石墨烯片層內，均勻負載較大質量的硫單質并有效抑制多硫化物的流失。另外，石墨烯獨特的彈性物理結構還可為硫電極在脫嵌鋰過程中巨大的體積變化提供緩沖空間，從而有效提高鋰硫電池的循環穩定性。

圖二 石墨烯/單壁碳納米管與硫納米復合結構的

(a)掃描電鏡圖；( b) 透射電鏡圖

儲能電池在人們的日常通信及綠色出行等領域發揮著日益重要的作用，這就對先進的鋰離子電池與鋰硫電池電極制備技術提出了更高的要求。大量研究成果表明以碳納米管與石墨烯為代表的納米碳材料因其優異的導電能力、良好的機械性能以及獨特的形貌與結構特征，可在不同的應用模式下顯著提高儲能電池的容量性能、倍率性能以及循環壽命。

                                                   作者：谷雨