許多國內外的研究均已證實多層石墨烯可應用在鋰電池負極材料或當作添加劑，以提升正、負極材料的快速充放電能力或負極材料的結構穩定性，然目前以多層石墨烯當作負極材料，仍有第一圈不可逆過大(>30%)與循環壽命不佳等問題亟待克服，藉由石墨烯製程改良與粉體表面形貌控制技術降低其結構缺陷與材料比面積，將有利於未來此材料在鋰電池快充負極材料之應用。
多層石墨烯在鋰離子電池之應用
針對Li離子於碳材儲存機制的探討已持續長達二、三十年之久，但目前尚無一共通且一致之原理。Sato研究團隊於1994年提出一Li2共價分子模型(Li2 Covalent Molecule Model)，該模型指出，Li原子會被碳材中的苯環結構所捕捉(Trap)，在非晶型碳中可形成LiC2而展現高達1,116 mAh/g之電容量。但目前實驗指出，藉由不同前驅物裂解所形成之非晶形碳，最高之電容量亦僅約400~700 mAh/g。根據Li2共價分子模型所述，當石墨層之層間距擴張至~0.4 nm以上，其最高之理論電容量是有可能達成的。值得注意的是，藉由化學氧化法所製備之石墨烯的結構會伴隨著結構缺陷、表面官能基的生成及高表面積特性，造成額外之Li嵌入情形。Pan等人透過不同還原程序進行石墨烯電化學特性之探討，分別使用化學還原劑、熱還原及電子束轟擊等方式進行還原，其結果顯示，低溫熱裂解與電子束轟擊所得之石墨烯具有較高之可逆電容量(~600 mAh/g)。
為進一步了解Graphene在鋰電池之應用特性，Barone研究團隊利用Density Functional Theory對Li離子在平面Graphene之吸附與擴散行為進行分析。當Graphene尺度降至趨近一維，材料之邊緣效應不僅影響碳材與鋰離子之反應性，亦影響其擴散特性。當Graphene之寬度逐漸減小，鋰離子擴散的能量障礙及擴散長度亦隨之減小，其能量差異可達0.15 eV，擴散常數約可提升2個數量級。當Graphene尺寸較大時，低能障之通道僅侷限在Graphene邊緣內之數nm區域。
除了由CVD法或化學法所製備之石墨烯外，近期亦有研究團隊針對不同石墨烯衍生物或摻雜結構石墨烯之特性進行探討。其中，Fahlman等人沿用多層奈米碳管沿軸向裁切之技術，製備似一維(Quasi-onedimentional)之石墨烯奈米帶(Graphene Nanoribbon; GNR)，於破裂面形成含氧官能基。四種不同型態碳材之電化學測試結果如圖二所示。
圖二、(a)石墨、多壁碳管、多層石墨烯、氧化多層石墨烯之可逆電容量與不可逆電容量比較；(b)多壁碳管、多層石墨烯與氧化多層石墨烯之循環壽命比較
多層石墨烯複合材料在鋰離子電池之應用
Zhou等學者利用具高表面積且多孔性之GNS材料透過即時氫氧化鐵還原法製備出GNS/Fe3O4複合材料，由圖三之SEM、TEM與EDX Mapping結果顯示，此複合材料中之100~200 nm的奈米氧化鐵均勻地分布在GNS材料，其電化學特性結果如圖三所示。
Wu等學者在硝酸水溶液以鹼性條件下將Co(OH)2與GNS均勻混合，之後再以450°C之後段燒結製備出粒徑約10~30 nm的Co3O4與GNS複合材料，其製備流程如圖五所示。圖六為Co3O4/GNS複合材料之SEM與TEM表面形貌，SEM與TEM結果均顯示具奈米尺度之Co3O4顆粒均勻地分布在GNS材料中。
Chou等學者將粒徑約40 nm的商品奈米矽與水熱法製備之GNS，以莫爾比1:1Mortar進行物理方式混合，並討論奈米矽與Si/GNS複合材料之電化學特性，圖八為Si/GNS複合材料之SEM表面形貌，結果具多孔性結構的GNS內部均勻地被奈米矽顆粒所填占；圖九(a)及圖九(b)為其充放電循環壽命與交流阻抗分析結果，由充放電測試結果來看，GNS的添加有助於提升奈米矽負極的循環壽命。另外，交流阻抗分析之結果亦顯示，藉由GNS的添加，有助於降低整體負極材料之阻抗，進而提升奈米矽負極之電性。
圖九、(a) GNS、Nano Si、Si/GNS複合材料與純矽(理論計算預估值)的循環壽命測試結果；(b)奈米矽與Si/GNS複合材料在0.2V充電狀態之交流阻抗圖譜
另外，本研究團隊也嘗試利用化學脫層法將SFG44人工石墨脫層而製備出GNS，除了分析GNS之基本特性外，也對其應用在鋰電池負極進行測試，最後亦搭配奈米矽與GNS所製備之複合材料進行電性測試。圖十二(a)及圖十二(b)為石墨脫層前後的TEM圖，石墨脫層前，其厚度約100層，石墨002面的層間距約0.332 nm，經化學脫層後，層間距可減少至8~40層，層間距變為0.352~0.511 nm，圖十二(b)右下角為GNS之SEM表面形貌，很明顯地，經過化學脫層後，可觀察出GNS 相當柔軟之特性…以上內容為重點摘錄，如欲詳細全文請見原文
作者：劉偉仁、郭信良/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌291期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=9205