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石墨烯锂电池技术研发现状

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浏览:- 发布日期:2017-06-13 20:00:00【

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石墨烯一直以来都是锂电池业界期望带来技术革命的材料,石墨烯负极材料比锂电池中惯用的石墨负极材料的充电或放电速度快10倍,这无疑会对动力电池的能量效率提升产生质的影响。那么阶段对于石墨烯在锂电池上的应用都有哪些突破呢?

  • 美加州大学洛杉矶分校制成多孔三维石墨烯架构

加利福尼亚大学洛杉矶分校的团队制备了一种石墨烯气溶胶,并用一种简单的方法将石墨烯气溶胶转换成溶剂化的石墨烯三维多孔架构,大大提升了锂离子交换和导电性。为了制备这种石墨烯架构,科学家们通过一种改进的水热法, 利用氧化石墨形成自由无支撑的石墨烯气溶胶立方体。通过简单的溶剂置换,他们将气溶胶结构转换成三维溶剂化的石墨烯架构。然后,可将这种溶剂化石墨烯架构很方便地压成薄膜,装入锂离子纽扣电池,而不损害多孔的石墨烯网络结构。这种易于制备的阳极不仅可使锂离子的渗透更为快速,同时还保持了石墨烯片层的大表面积和出色的导电性。研究表明,溶剂化的多孔三维石墨烯气溶胶结构,具有更好的电化学性能。

  • 韩国科研团队发明可提升锂离子电池性能的三维石墨烯材料

韩国科学技术研究院(KAIST)的研究团队发明的用于锂离子电池的新型石墨烯电极材料,与常规锂离子电池相比,充电速度更快,而且电容量不会降低。团队称,传统石墨烯是一种二维碳原子片层,制备方法通常是将石墨溶于一种化学溶液中,然后再将石墨分离成超薄的片层碳材料。

这种方法制备的石墨烯会在碳片层材料上留下少量的杂质。 材料中杂质在经过一定时间的使用后,会降低电池电容。团队采用化学沉积法,制备了不含任何杂质的三维形式的片层碳材料。与传统材料制备方法相比,新制备方法制备的石墨烯材料由于不含杂质,制备的电池再充电速度大幅提升。相关测试已经证实,制备的电池在经过10000个再充电周期后,未发生电容降低现象。

  • 美科学家对三维石墨烯纳米泡沫电极的氢化处理,提升电池性能

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科研团队经多次试验和计算发现,在锂离子电池(LIBs)中,通过对三 维石墨烯纳米泡沫电极进行氢化处理,可显著提升电 池容量和传输性能,这有助于基于石墨烯的高功率电 极材料的研发。团队的试验和多种计算表明,对富含缺陷的石墨烯进行刻意的低温氢处理,可以提升倍率 容量。因为氢原子会与石墨烯中缺陷发生互动,打开 了一些小的开口,促进了锂离子的渗透,从而提升了离子传输。通过提升氢原子最易结合的边界附近锂离子的结合度,还能提高可逆容量。

为了研究石墨烯中缺陷的氢化处理对锂离子储存能力的作用,研究团队在 氢接触的过程中,尝试了各种不同的加热条件,并研究 了三维石墨烯纳米泡沫(GNF)电极电化学性能,这些电极主要由带缺陷的石墨烯构成。三维石墨烯泡沫无须使用黏合剂的特点,避免了添加剂使用带来的负面影响,因此是一种理想材料。该研究表明,对基于石墨烯的阳极材料,进行受控的氢化处理,可作为一种 优化锂离子传输和可逆储存的有效方法方法。

  1. 美科学家将硅粒子装在石墨烯“笼 子”里,提升硅-锂离子阳极

硅材料制成的锂离子电池阳极的缺点是:阳极容易发生膨胀、破裂,甚至还会与电池电解液发生反应,形成影响电极性能的涂层。为此,美国斯坦福大学和美国能源部NLAC国家加速器实验室组成的科研团队设计了一个三步式的简单方法, 将硅阳极粒子包裹在用石墨烯定制的“笼 子”中,有望解决上述问题。微观石墨烯笼子的尺寸设计非常完美,大小足以满足 电池充电过程中硅粒子有足够的膨胀空间,但同时又足够紧凑,以便在粒子分离后总能汇拢在一起,这样就使电极能持续保持大容量。此外,柔性、强健的石墨烯笼子还能阻挡电极与电解液发生有害的化学反应。

团队的测试结果表明,石墨烯笼子有效提升了粒子的导电性,形成了高蓄电能力并提升了化学稳定性和效率。这种方法还可用于其他电极材料,并有望实现真正意义上的低成本、 高能量密度的电池材料。 为了确保石墨烯笼子发挥良好作用,需与硅粒子的尺寸完好匹配。

  • 印度科学家新型锂离子电池阳极材料-钴+石墨 烯气溶胶结构

印度科学教育和研究学院的科研团队将氧化钴融合到一种石墨烯水凝胶中,利用石墨烯 水溶胶三维支撑稳定的机械性能,有效避免了体积膨胀问题。不仅如此,这种充分互联的混合材料还提升了导电性。团队采用了一种水热技术(hydrothermal technique),首先制备了一些质地均匀的微结构(外形 为有趣的玫瑰状)。然后,再将这种结构固定在还原的氧化石墨烯片层上,以便融于一种石墨烯水溶胶中。与通常锂离子电池阳极材料相比,这种氧化钴-石墨烯水溶胶材料表现出超级好的电化学性能。氧化钴的独特外形以及它们与还原氧化石墨烯的交错结构,缩短了锂离子扩散的距离,也避免了在锂化反应/去锂化反应过程中由于体积膨胀造成的一些普遍问题。

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