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在矽電極上添加石墨烯梁可以使锂電池的壽命延長一倍

沃裡克大學由WMG領導的新研究發現了一種用矽代替锂離子電池陽極中石墨的有效方法,即用石墨烯梁增強陽極的結構。這可能會使可充電锂離子電池的壽命增加一倍以上,并增加這些電池的容量。

自索尼公司最初推出锂離子電池以來,石墨一直是陽極的默認選擇活性材料,但研究人員和制造商長期以來一直在尋找一種用矽代替石墨的方法,因為它是一種豐富的可用元素,其重量能密度是石墨的十倍。不幸的是,矽還有其他幾個性能問題繼續限制其商業開發。由于矽顆粒在锂化過程中的體積膨脹,矽顆粒可以電化學團聚,從而阻礙随着時間的推移進一步的充放電效率。

矽的内在彈性也不足以應付反複充電時的锂化應變,導緻陽極複合微觀結構的開裂、粉碎和快速物理降解。這大大有助于容量衰減,以及發生在對電極-陰極上的降解事件。以手機為例,這就是為什麼我們必須為我們的手機充電更長和更長的時間,這也是為什麼他們不承擔他們的費用,隻要他們是新的。

許多辦法試圖克服這些問題。例如,使用微米大小的石墨烯的納米/結構化矽粒子,但這并不令人滿意。使用納米矽顆粒顯着地增加了活性表面的數量。這導緻在第一次充電周期中更多的锂沉積在矽上,形成矽和電解質之間的固體電解質相間勢壘,從而大大減少锂的庫存,從而大大降低電池的使用壽命。這一層也繼續生長在矽上,因此锂的損失變得連續。其他方法結合其他材料,如不同尺寸的石墨烯,被認為是不切實際的,然後進展到大規模制造。

然而,由沃裡克大學WMG的Melanie Loveridge博士領導的新研究發現并測試了一種新的矽陽極混合物和一種化學修飾的石墨烯形式,它可以解決這些問題,并創造出可行的矽陽極锂離子電池。這種方法實際上可以在工業規模上制造,而不需要使用納米矽尺寸及其相關問題。這項新的研究剛剛于2018年1月23日星期二在科學報告中發表,題為“矽-富層石墨烯(FLG)複合電極系統的相相關阻抗研究”。

石墨烯當然是礦物石墨的一個單一的、一個原子厚的層(碳的同素體)。然而,也有可能分離和操縱幾個連接層的石墨烯,使材料研究人員稱為少層石墨烯(FLG)。以前的研究已經測試了FLG與納米矽的使用,但這項新的研究發現,FLG也可以顯着地提高更大微米大小的矽粒子在陽極中使用的性能。因此,這種混合物可以顯著延長锂離子電池的壽命,并提供更高的功率能力。

研究人員創造了一種由60%的微矽顆粒、16%的FLG、14%的鈉/聚丙烯酸和10%的碳添加劑混合而成的陽極,然後在100次充放電循環中考察了其性能(以及材料結構的變化)。

這項研究的負責人、沃裡克大學WMG高級研究員梅勒妮·洛維裡奇博士說:“FLG的薄片混合在整個陽極上,作用就像一組堅固但相對彈性的梁。 這些片狀的FLG增加了材料的彈性和彈性,大大減少了矽在锂化過程中物理膨脹引起的損傷。 石墨烯增強了陽極的長程電導率,在結構穩定的複合材料中保持低電阻。

更重要的是,這些FLG片也可以證明非常有效地保持矽顆粒之間的分離程度。每個電池充電周期都增加了矽粒子相互電化學焊接的機會。這種增加的團聚越來越減少和限制電解質進入電池中的所有粒子,并阻礙锂離子的有效擴散,這當然會降低電池的壽命和功率輸出。沃裡克WM G大學測試的混合物中存在FLG,導緻研究人員假設這種現象在減輕電化學矽熔化方面是非常有效的。

WMG研究小組已經開始進一步研究這一技術進步,其中将包括進一步研究和研究,作為由Varta微創新領導的石墨烯先鋒兩年項目的一部分,Warwick大學的WMG與劍橋大學、CIC、Lithops和IIT(意大利理工學院)是合作夥伴。該項目的主要目标是推動矽/石墨烯複合材料的工業化前生産及其随後加工成锂離子電池,用于高能和高功率應用。作為該項目的一部分,Warwick的WMG将優化電極研究,擴大和郵袋電池制造的優化锂離子電池。

 

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