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石墨烯海綿添加劑可用于增強(qiáng)鋰電池性能

2017-05-03 09:42:58 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：烯盟資訊分享至：

鋰電池已成為非常理想的產(chǎn)品，特別是在移動(dòng)設(shè)備和高效節(jié)能運(yùn)輸車輛中。為了滿足當(dāng)前的需求，鋰離子電池需要不斷提高的兩個(gè)性能是倍率性能和功率性能。

來(lái)自日本NEC公司的研究員錢成開發(fā)了一種多孔石墨烯海綿添加劑，也稱為Magic G，可用于鋰離子電池的陽(yáng)極和陰極，以提高其速率和功率性能。

    在過(guò)去20年中，鋰離子（Li-ion）電池的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)滲透到了許多領(lǐng)域，無(wú)論是常用的日常用品，如移動(dòng)設(shè)備，還是更多的專業(yè)技術(shù)，如電動(dòng)汽車（EV）、混合動(dòng)力汽車（HEV）或智能能源系統(tǒng)。鋰電池具有多種形式，但市售的裝置通常由石墨陽(yáng)極和LiMO 2層狀陰極結(jié)構(gòu)組成，其中M通常是由鈷，鎳或錳組成的二元或三元系統(tǒng)的代表。

    盡管經(jīng)過(guò)多年的研究和開發(fā)，鋰離子電池顯示出一些很好的性能（包括電池級(jí)別的重量能量密度大于160Wh / kg），但由于充放電能力差和高倍率性能，它們?nèi)匀皇艿降凸牡挠绊憽?br />
    由于其采用的能量密度集中的電池設(shè)計(jì)，現(xiàn)在許多電池的性能較差。電池結(jié)構(gòu)的方式需要陽(yáng)極和陰極上的高質(zhì)量負(fù)載，低電解質(zhì)系數(shù)，陽(yáng)極和陰極的低孔隙率，少量的導(dǎo)電添加劑，含有低表面積的活性材料。因?yàn)樾枰胶膺@么多參數(shù)，則不可避免地導(dǎo)致高能量密度的鋰離子電池表現(xiàn)出較差的功率性能。

    由于其采用的能量密度集中的電池設(shè)計(jì)，現(xiàn)在許多電池的性能較差。電池結(jié)構(gòu)的方式需要陽(yáng)極和陰極上的高質(zhì)量負(fù)載，低電解質(zhì)系數(shù)，陽(yáng)極和陰極的低孔隙率，少量的導(dǎo)電添加劑，含有低表面積的活性材料。因?yàn)樾枰胶膺@么多參數(shù)，則不可避免地導(dǎo)致高能量密度的鋰離子電池表現(xiàn)出較差的功率性能。

    隨著鋰離子電池的消費(fèi)需求的增加，特別是從小型設(shè)備到電動(dòng)汽車的實(shí)現(xiàn)，不僅要提高電力性能，而且要提高循環(huán)能力。在汽車中尤其如此，司機(jī)希望能夠延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)縮短充電時(shí)間。

    現(xiàn)在已經(jīng)提出了許多方法來(lái)提高和測(cè)試鋰離子電池的性能，特別是通過(guò)電池設(shè)計(jì)工程方法。不幸的是，盡管有些方法提高了電池的性能，但從商業(yè)角度看，生產(chǎn)的電池還是不可行。這主要與細(xì)胞中的低密度和高成本有關(guān)。錢成開發(fā)了一種蜂窩狀多孔石墨烯海綿，也被稱為“魔術(shù)G”（MG），具有高導(dǎo)電性，高比表面積和高電解質(zhì)吸收能力。海綿已經(jīng)作為添加劑摻入鋰離子電池的陽(yáng)極和陰極，以提高速率能力和高速率循環(huán)性。

    Magic G是通過(guò)一系列方法生產(chǎn)的，最初是從石墨開始的。從那里，研究人員通過(guò)改進(jìn)的悍馬法氧化石墨，以生產(chǎn)氧化石墨。此后進(jìn)一步進(jìn)行熱沖擊和空氣氧化處理，其形成了預(yù)制魔術(shù)G（前MG）的材料。然后在1000℃下熱處理前體來(lái)實(shí)現(xiàn)魔術(shù)G。

    前兆和最終的Magic G產(chǎn)品均通過(guò)許多市售機(jī)器和方法進(jìn)行了表征，包括場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）（日立SU8000），透射電子顯微鏡（TEM）（Hitachi H-90000UHR），原子力學(xué)顯微鏡（AFM）（Bruker Nano Scope V Dimension Icon），傅里葉變換紅外（FT-IR）（Varian 7000FT-IR），拉曼光譜（NRS-7000），氣體吸附（BELSORP18PLUSUS-HT）和溫度程序解吸質(zhì)量光譜法（TPD-MS）（Shimadzu GC / MS-QP2010 Plus）。加入魔術(shù)G后，電池的陽(yáng)極和陰極都顯示出更強(qiáng)的性能和充電速率。

    與其他非魔術(shù)G鋰離子電池相比，向陽(yáng)極添加0.5％（重量）添加量可使充電容量保持率在6次循環(huán)時(shí)從56％提高到77％，10次循環(huán)時(shí)的充電容量保持率從7％提高到45％。在陰極中，加入相同量的MagicG，并且在6次循環(huán)中，放電容量率從43％增加到76％，并且在10個(gè)循環(huán)中從16％增加到40％。通過(guò)添加石墨烯海綿，兩種電極的高速率的循環(huán)性得到改善。

    除了更顯著的改進(jìn)之外，添加Magic G的電極電子傳導(dǎo)性也增加了，電解質(zhì)的吸附，并降低了活性材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻。生產(chǎn)的蜂窩狀材料，作為下一代鋰離子電池的添加劑具有很大的潛力，因?yàn)樗鼈兗染哂懈唠姾擅芏扔志哂辛己玫乃俾市阅埽虼私鉀Q了許多難題。添加劑引入電極后的特性，對(duì)于用于電動(dòng)車輛的鋰離子電池是必不可少的。錢成還期待進(jìn)一步優(yōu)化未來(lái)的結(jié)構(gòu)，以獲得更高的性能。