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石墨烯電極提升鋰離子電池容量

鉅大LARGE  |  點擊量:923次  |  2021年09月30日  

一種新的石墨烯空氣電極,帶來極高的容量,達15000毫安時/克,是有史以來報道的最高值。


鋰離子電池已廣泛用于許多電子設備,在我們日常生活中很重要。然而,二十年來,穩步提高10-15%之后,鋰離子電池的能量密度目前已接近其理論極限,制約它能量的,就是這些電池使用的陰極和陽極材料。因此,近年來,全球都積極追求下一代能源儲存系統。


有一種這樣的系統就是金屬/空氣電池,它具有高得多規格能量,勝過現有的大多數原電池和充電電池。


“金屬/空氣電池是獨特的,因為正極活性材料不是存儲在電池中,”張基廣(Ji-GuangZhang)博士說,他是西北太平洋國家實驗室(PacificNorthwestNationalLaboratory)轉型材料科學項目的研究員?!跋喾?,環境中的氧氣被還原,在空氣電極內的催化表面,形成一種氧物化或過氧化氫離子(peroxideion),進一步與電解液中的陽離子(cationic)成分反應。Li/O2偶特別有吸引力,因為它可能具有最高的規格能量,在所有已知的電化學偶中都是這樣?!?/p>


在迄今探討的各種電化學儲能系統中,鋰空氣電池最有前途的一種技術,理論能量密度接近十倍于傳統的鋰離子電池。這是因為鋰金屬作為陽極,容量十倍于傳統石墨陽極,而氧氣作為鋰空氣電池的正極,可從環境中自由吸收,這就顯著減少了電池重量和成本。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

為了用于實用設備如電動汽車,研究人員期望,鋰-空氣電池達到約800瓦時/千克的能量密度,這就三倍于最先進的鋰離子電池。因此,鋰-空氣電池有極大潛力,可進行許多應用,這就要求能量儲存系統要超越鋰離子電池,如遠程電動汽車,每次充電可以行駛500多公里。


報道他們的成果,是在2011年十月十日《納米快報》(NanoLetters)在線版,題目是《分層多孔石墨烯用作鋰空氣電池電極》(HierarchicallyPorousGrapheneasaLithium-AirBatteryElectrode),張基廣和他在西北太平洋國家實驗室的小組證明,一種新的空氣電極,包含不尋常的分層排列功能化石墨烯薄片(無催化劑),可帶來極高的鋰氧電池容量,就是15000毫安時/克,這是這一領域有史以來報道的最高值。


這種鋰-空氣電池的性能受許多因素影響,如電解質成分,宏觀結構的空氣電極,微觀直到納米結構的含碳材料。反應產物(如Li2O2)沉淀在含碳電極上,最終會阻塞氧氣通道,限制鋰-空氣電池的容量。


太平洋西北國家實驗室小組最近的工作,最大限度地減輕了空氣電極阻塞問題,顯著提高了的容量?!耙郧暗墓ぷ魇褂媒榭滋炕蚴┍∑驖茶T成一種堆疊式二維結構,這就限制了它的可用容量,”張基廣說。“我們的工作首次展示了一種自我組裝的、雙峰石墨烯結構,既有微米大小的開放孔隙,可加快氧氣擴散,也有大量納米孔隙(2-50納米),可催化Li-O2反應,同時防止過快上升的放電產物阻塞化學通道?!?/p>


此外,研究表明,石墨烯的缺陷和功能組,有利于形成孤立的納米尺寸的Li2O2顆粒,有助于防止空氣電極中的空氣阻塞。成片石墨烯的分層有序多孔結構,可進行實際應用,促進使用這種結構的大多數石墨薄片。

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應用領域:勘探測繪、無人設備

制備空氣電極采用功能化石墨烯薄片時,這種功能化石墨烯薄片首先要分散在微乳溶液中,這種溶液也包含電極粘結劑材料。經澆鑄并干燥后,非常不尋常的形態就會制成。


“令人驚訝的是,這種功能化的石墨烯薄片聚合成松散堆積的“破蛋”結構,留下很大的相互連接的隧道,一直穿進整個電極深處,”張基廣說?!斑@些隧道用途就像眾多的動脈,不斷供應氧氣進入電極內部,在放電過程中就是這樣。更重要的是,這種復雜的孔隙結構在電解液滲透后仍然保留下來,不像測試過的其他多孔碳材料?!?/p>


他們用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察“碎蛋”的“殼”,研究人員發現,這些“殼”包含許多較小的持續納米孔,連通大隧道。張基廣指出,這種獨特的形態是一種理想的設計,可用于空氣電極。“在放電過程中,強大的大型隧道可以作為“高速公路”,供應氧氣進入空氣電極內部,同時,壁上的小孔都是出口,供應三相(固態-液態-氣態)區域,進行氧氣還原?!?/p>


一些障礙仍然要克服,之后這種電池系統才可以大規模應用。重要障礙包括:放電速度低;電解質穩定性和鋰-空氣電池的可逆性;要氧氣選擇性膜,以減輕容量退化,這種退化源自水分滲透;要防止鋰枝晶(dendrite)生長,以延長循環壽命。



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