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在硅电极中添加石墨烯桁架可以使锂电池的寿命延长一倍

沃里克大学WMG领导的新研究发现,用石墨烯加强阳极结构,用硅取代锂离子电池阳极中的石墨是一种有效的方法。这可以使可充电锂离子电池的使用寿命延长一倍以上,并且也增加了这些电池所提供的容量。

锂离子电池

自从索尼最初推出石墨以来,石墨一直是锂离子电池阳极活性材料的默认选择,但研究人员和制造商长期以来一直试图用硅取代石墨,因为它是一种十倍于重量的丰富元素石墨的能量密度。不幸的是,硅片还有其他一些性能问题,继续限制其商业开发。由于锂化时的体积膨胀,硅粒子可能会以阻碍进一步的充电 - 放电效率的方式电化学聚集。硅在反复充电时也不具有足够的弹性以应付锂化应变,导致阳极复合材料微观结构的破裂,粉碎和快速物理降解。这极大地影响了容量衰减,以及在对电极上发生的退化事件 - 阴极。以手机为例,这就是为什么我们不得不长时间为手机充电,而且这也是为什么他们只要新手就不收费的原因。

许多方法都试图克服这些问题。例如使用具有微米尺寸石墨烯的纳米尺寸/结构化硅颗粒,但是这并不令人满意。使用纳米尺寸的硅颗粒显着增加了可用的反应表面的量。这导致在第一次充电循环期间在硅上沉积更多的锂,从而在硅和电解质之间形成固体 - 电解质相间隔离层,并因此大大减少了锂存量,从而大大降低了电池的有用寿命。这个层也继续在硅上生长,所以锂损失变得连续。其他结合其他材料(例如不同尺寸的石墨烯)的其他方法已被认为不适用于随后进入大规模生产。

然而,华威大学WMG的Melanie Loveridge博士领导的一项新研究发现和测试了一种新的硅阳极混合物和一种化学修饰的石墨烯,可以解决这些问题,并创造出可行的硅阳极锂离子电池。这种方法实际上可以在工业规模上制造,而不需要求助于纳米尺寸的硅及其相关问题。这项新研究刚刚在2018年1月23日星期二发表在科学报告中,在一篇题为“硅 - 少量石墨烯(FLG)复合电极系统的相关阻抗研究”的论文中。

石墨烯当然是矿物石墨(碳的同素异形体)的单个,一个原子厚的层。然而,也可以分离和操纵几个连接的石墨烯层,使得材料研究者将其称为少层石墨烯(FLG)。以前的研究已经测试了使用纳米尺寸硅的FLG,但是这项新的研究发现FLG还可以显着改善用于阳极的较大尺寸的硅微粒的性能。这样的混合物能够显着延长锂离子电池的使用寿命,并且还能提供更高的功率。

研究人员创造了60%微硅颗粒,16%FLG,14%钠/聚丙烯酸和10%碳添加剂的混合物的阳极,然后检查了超过100的性能(以及材料结构的变化)充放电循环。

沃里克大学WMG高级研究员领导研究的Melanie Loveridge博士说:

“FLG的薄片在整个阳极混合起来,就像一组强力但相对有弹性的桁材,这些FLG薄片增加了材料的弹性和弹性,大大减少了硅在锂化过程中物理膨胀所造成的损害。石墨烯增强了阳极的远距离电导率,并在结构稳定的复合材料中保持了低电阻。

“更重要的是,这些FLG薄片在保持硅颗粒之间的分离度方面也可以证明是非常有效的,每个电池充电循环增加了硅颗粒电化学焊接的可能性,这种增加的聚集越来越少,到电池中的所有颗粒,阻碍了锂离子的有效扩散,这当然会降低电池的寿命和功率输出。沃里克沃里克大学测试混合物中FLG的存在导致研究人员推测这种现象是非常有效的在缓解电化学硅熔合方面得到了系统的研究支持“

WMG研究小组已经开始进一步研究这项技术进步,其中包括进一步的研究和研究,作为由Varta Micro-innovations领导的石墨烯矛头两年项目的一部分,华威大学的WMG是剑桥大学的合作伙伴, CIC,Lithops和IIT(意大利理工学院)。该项目的主要目标是推进硅/石墨烯复合材料的前工业化生产及其后续加工成为高能量和高功率应用的锂离子电池。作为该项目的一部分,沃里克的WMG将优化电极研究,扩大规模并优化锂离子电池袋装电池制造。