1. 導入
シングル-層 グラフェン 酸化物 (SLGO), a 二-次元 (2D) 炭素 ナノマテリアル 派生 から グラフェン, もっている 惹かれた 広範囲にわたる 注意 で その 分野 の LIB. その 個性的 構造 そして 素晴らしい 物理化学的 プロパティ (e.g., 高い 電気 導電性, 大きい 特定の 表面 エリア, そして 豊富な 酸素-含む 機能的 グループ) 作る それ a 有望な 候補者 に 住所 その ボトルネック の 伝統的 リブ 材料. これ 紙 体系的に レビュー その 構造的 特徴 の SLGO, その 応用 で リブ 電極 (カソード そして 陽極), 導電性 添加物, そして 安全性 改善, として 良い として その 準備 方法, テクニカル 課題, そして 未来 発達 見通し.
2. 個性的 プロパティ の シングル-層 グラフェン 酸化物
2.1 構造的 特徴
SLGO 構成 の a シングル 層 の 炭素 原子 アレンジされた で a 六角 格子, と a C-C ボンド 長さ の 約 0.142 ナノメートル. ほとんど 炭素 原子 で SLGO は sp²-交配された, 形にする a 平面 活用形 構造 それ 貢献する に その 高い 電気 導電性. とは異なり 手付かずの グラフェン, SLGO 含む 豊富な 酸素-含む 機能的 グループ (e.g., ヒドロキシル (-おお), エポキシ (-O-), そして カルボキシル (-COOH)) の上 その 基底 飛行機 そして 角. これら 機能的 グループ ない のみ 改善する その 親水性 そして 分散性 の SLGO で 水性 そして オーガニック 溶剤 しかし また 提供する アクティブ サイト のために 化学薬品 修正 そして 複合 準備.
その 原子 配置 の SLGO 直接 影響 その パフォーマンス: その 無傷 六角 格子 保証する 効率的 電子 輸送, その間 その 酸素-含む 機能的 グループ 強化する その 交流 と 他の 材料 (e.g., 電極 アクティブ 材料 そして 電解質). しかし, 過剰 酸素-含む グループ 5月 破壊する その 活用形 構造, リードする に 減少 電気 導電性. したがって, その 正確な コントロール の その 酸素 コンテンツ そして 分布 で SLGO は 重要な のために その 応用 で LIB.
2.2 物理化学的 プロパティ
高い 電気 導電率: その sp²-活用形 構造 の SLGO 有効にする 急速な 電子 輸送, と 一つの 電気 導電性 の 上 に 10⁴ S/m (後 削減), どれの は 多くの より高い よりも それ の 伝統的 炭素 材料 (e.g., 炭素 黒: ~10² S/m).
大きい 特定の 表面 エリア: その シングル-層 2D 構造 の SLGO 与える それ a 理論的な 特定の 表面 エリア の ~2630 m²/g, 提供 豊富な サイト のために 李⁺ 吸着 そして ストレージ.
良い 親水性: その 酸素-含む 機能的 グループ の上 SLGO 作る それ 簡単に 分散性 で 水 そして 極性 オーガニック 溶剤, 促進する その 準備 の 複合 材料 そして 電極 スラリー.
化学薬品 反応性: その 酸素-含む 機能的 グループ (特に -COOH そして -おお) できる 反応する と 金属 イオン, ポリマー, そして 他の 機能的 分子, 有効化 その デザイン そして 合成 の 高度な 複合 材料 と テーラード プロパティ.
3. 応用 探検 で リチウム-イオン バッテリー 陰極 材料
3.1 制限事項 の 伝統的 陰極 材料
従来の リブ 正極材料、例えばリン酸鉄リチウム (リン酸二水素リチウム₄)、コバルト酸リチウム (リチウムコバルト₂)、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム (LiNiₓMnᵧCo₁₋ₓ₋ᵧO₂、NCM) などは、その性能を制限する重大な課題に直面しています。
低い電気伝導率: たとえば、リン酸二水素リチウム₄ の電子伝導率はわずか 10⁻⁹~10⁻¹⁰ S/cm であるため、充電および放電中の電子輸送が著しく制限され、レート能力が低下します。
遅い 李⁺ 拡散速度: 従来のカソード (リチウムコバルト₂ など) の高密度結晶構造により、李⁺ の拡散係数が低く (10⁻¹⁴~10⁻¹² cm²/s)、高速度で著しい分極が発生します。
サイクル安定性の問題: サイクル中の構造劣化 (例: リン酸二水素リチウム₄ の相転移) および金属イオンの溶解 (例: リチウムコバルト₂ の 共同³⁺) により、容量が低下します。
3.2 SLGO複合カソードの試みと成果
これらの制限に対処するために、研究者はさまざまな複合戦略を通じて SLGO 複合カソード材料を開発し、カソードの電気伝導性、李⁺ 拡散効率、およびサイクル安定性を大幅に改善しました。
3.2.1 半カプセル化戦略
半カプセル化構造では、SLGOシートが部分的に正極粒子の表面に付着し、粒子間に"ブリッジ"を形成します。この構造により、正極結晶構造の完全性が維持され、導電性ネットワークが構築されます。例えば、水熱法で作製されたLiFePO₄/SLGO複合材料では、SLGOシートがLiFePO₄の(010)面（李⁺の主な拡散面）に選択的に固定されています。これにより、複合材料の電子伝導性が向上するだけでなく（10⁻¹⁰ S/cmから10⁻³ S/cmへ）、李⁺の拡散チャネルがブロックされることもありません。10Cレートでは、複合材料は120 mAh/gの比容量を実現し、これは純粋なLiFePO₄（40 mAh/g）の3倍に相当します（張 ら アル., 2020）。
3.2.2 完全カプセル化戦略
完全カプセル化戦略では、SLGOシートを個々の正極粒子に巻き付け、コアシェル構造を形成します。この構造は、金属イオンの溶解と構造劣化を効果的に抑制します。静電自己組織化法で作製されたLiCoO₂/SLGO複合材料では、SLGOシェル（厚さ：約5 ナノメートル）が物理的なバリアとして機能し、共同³⁺が電解質に溶解するのを防ぎます。1Cで500サイクル後、複合材料の容量維持率は85%に達しますが、純粋なLiCoO₂ではわずか60%です（王 ら アル., 2021）。さらに、SLGOシェルはLiCoO₂の電気伝導性を高め、複合材料は0.5Cで165 mAh/gの比容量を示しました（純粋なLiCoO₂より15%高い）。
3.2.3 超音波混合戦略
超音波混合は、SLGO複合正極を作製するための簡便かつスケーラブルな方法です。高強度超音波を用いることで、SLGOシートを正極粒子間に均一に分散させ、3D導電性ネットワークを形成できます。この方法はSLGOシートの凝集を防ぎ、SLGOと正極粒子間の良好な接触を確保します。超音波混合法で作製したLiNi₀.8Mn₀.1Co₀.1O₂ (NCM811)/SLGO複合材料に関する研究では、この複合材料のLi⁺拡散係数は5×10⁻¹¹ cm²/s（純粋なNCM811の2倍）であることが示されました。5Cレートでは、この複合材料は150 mAh/gの比容量を示し、200サイクル後の容量維持率は92%でした（李 ら アル., 2022）。
4. リチウムイオン電池負極材料の徹底的な研究
4.1 直接陽極材料としてのSLGOの課題とブレークスルー
SLGOは、その大きな比表面積と高い理論Li⁺貯蔵容量（LiC₆基準で約744 mAh/g）により、LIBのアノード材料として大きな可能性を秘めています。しかし、SLGOをアノードとして直接使用するには、2つの大きな課題があります。
4.1.1 レイヤースタッキング
SLGOシート間のファンデルワールス力は容易にスタッキングを引き起こし、比表面積の減少とLi⁺拡散経路の閉塞を引き起こし、レート特性の低下につながります。例えば、純粋なSLGOアノードの比表面積は約500 m²/g（理論値を大幅に下回る）であり、5Cでの容量は200 mAh/g未満です。
4.1.2 初期クーロン効率が低い
SLGO上の酸素含有官能基は、最初の充放電サイクル中にLi⁺と反応し、高インピーダンスの固体電解質界面（セイ）層を形成する可能性があります。その結果、初期のクーロン効率は低下し（多くの場合60%未満）、SLGOアノードの実用化は制限されます。
これらの問題に対処するために、研究者はさまざまな改変方法を開発しました。
4.1.3 熱膨張法
SLGOを不活性雰囲気（Arなど）で800～1200℃に加熱すると、酸素含有官能基がガス状生成物（二酸化炭素、二酸化炭素₂、H₂O）に分解し、内部圧力を発生させてSLGOシートを多孔質構造に膨張させます。この多孔質構造は層の積み重ねを防ぐだけでなく、比表面積を増加させ、より多くのLi⁺貯蔵部位を提供します。Liら（2021）の研究では、熱膨張したSLGO（TE-SLGO）の比表面積は1800m²/gで、初期のクーロン効率は85％に増加しました（酸素含有基の減少による）。1Cレートでは、TE-SLGOは650mAh/gの可逆的な比容量を実現し、200サイクル後の容量保持率は92％でした。
