第一作者：毕经煊，杜祝祝

通讯作者：艾伟*，黄维*

单位：西北工业大学，福建师范大学，南京工业大学

石墨烯因其优异的物理化学特性，被认为是极具应用潜力的下一代锂离子电池负极材料。自2008年首次应用于锂离子电池以来，石墨烯负极经历了长足发展，同时也取得了巨大的突破。为了进一步探究石墨烯负极在下一代锂离子电池中的应用前景，迫切需要对石墨烯负极的制备策略、应用进展以及所面临的机遇和挑战进行系统性概述。

基于此，西北工业大学黄维院士团队艾伟教授课题组，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“On the Road to the Frontiers of Lithium-Ion Batteries: A Review and Outlook of Graphene Anodes”的综述文章。该文章旨在提供石墨烯负极在实用化锂离子电池中的研究路线图。作者首先从石墨烯的储锂机制入手，然后全面总结了提升石墨烯负极电化学性能的策略，最后强调了石墨烯负极在实用化锂离子电池中所面临的机遇和挑战。

图1. 石墨烯负极在锂离子电池中的研究路线图

尽管理论容量是商业石墨负极的两倍，但石墨烯的晶相、微结构和形态会极大地影响锂离子的存储和扩散。通过形态学工程调控，石墨烯负极可呈现出更高的电解液浸润性、更多的储锂位点以及更短的锂离子扩散路径，从而获得优异的容量和倍率性能；此外，表面修饰将使石墨烯负极表现出更为独特的表面结构和功能，从而显著提升石墨烯负极的储锂性能。

要点二：石墨烯衍生物负极电化学性能的改善

将杂原子引入石墨烯晶格中可有效地调节其表面电荷分布，同时由此造成的结构扭曲可进一步抑制石墨烯层的聚集，赋予了石墨烯丰富的活性储锂位点。此外，通过共价键将氧化还原官能团、空间位阻基团以及卤素原子键合到石墨烯表面也可进一步提升石墨烯负极的电化学性能。

要点三：无粘结剂和柔性自支撑石墨烯电极

传统电极制备工艺是将活性材料、聚合物粘合剂和导电添加剂分散到有机溶剂中形成浆料后再涂覆在集流体上。使用无粘结剂电极可显著提升石墨烯材料的利用率，并避免使用有机溶剂，实现电池绿色制造。同时，柔性自支撑石墨烯薄膜电极也为柔性可穿戴电子设备的发展带来了巨大的机遇。

图2 提升石墨烯负极电化学性能的主要策略概要

要点四：总结与展望

尽管对石墨烯负极的研究取得了一定的进展，但其实际应用仍存在诸多挑战。未来研究的方向可概括为以下几个方面：

（1）提高电极首圈库伦效率；

（2）优化孔结构和电极结构，从而降低电压滞后并提高电池体积能量密度；

（3）制定研究范式，以评估石墨烯负极的实际应用性能；

（4）考虑大规模应用中存在的固有问题。

图3 锂离子电池石墨烯负极面临的挑战和未来前景

On the Road to the Frontiers of Lithium-Ion Batteries: A Review and Outlook of Graphene Anodes

Jingxuan Bi, Zhuzhu Du, Jinmeng Sun, Yuhang Liu, Ke Wang, Hongfang Du, Wei Ai*, Wei Huang*