石墨烯海绵添加剂可用于增强锂电池性能
2017-05-03 09:42:58 作者:本网整理 来源:烯盟资讯 分享至:

    锂电池已成为非常理想的产品,特别是在移动设备和高效节能运输车辆中。为了满足当前的需求,锂离子电池需要不断提高的两个性能是倍率性能和功率性能。

    来自日本NEC公司的研究员钱成开发了一种多孔石墨烯海绵添加剂,也称为Magic G,可用于锂离子电池的阳极和阴极,以提高其速率和功率性能。

 

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    在过去20年中,锂离子(Li-ion)电池的应用技术已经渗透到了许多领域,无论是常用的日常用品,如移动设备,还是更多的专业技术,如电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)或智能能源系统。锂电池具有多种形式,但市售的装置通常由石墨阳极和LiMO 2层状阴极结构组成,其中M通常是由钴,镍或锰组成的二元或三元系统的代表。

    尽管经过多年的研究和开发,锂离子电池显示出一些很好的性能(包括电池级别的重量能量密度大于160Wh / kg),但由于充放电能力差和高倍率性能,它们仍然受到低功耗的影响。

    由于其采用的能量密度集中的电池设计,现在许多电池的性能较差。电池结构的方式需要阳极和阴极上的高质量负载,低电解质系数,阳极和阴极的低孔隙率,少量的导电添加剂,含有低表面积的活性材料。因为需要平衡这么多参数,则不可避免地导致高能量密度的锂离子电池表现出较差的功率性能。

    由于其采用的能量密度集中的电池设计,现在许多电池的性能较差。电池结构的方式需要阳极和阴极上的高质量负载,低电解质系数,阳极和阴极的低孔隙率,少量的导电添加剂,含有低表面积的活性材料。因为需要平衡这么多参数,则不可避免地导致高能量密度的锂离子电池表现出较差的功率性能。

    随着锂离子电池的消费需求的增加,特别是从小型设备到电动汽车的实现,不仅要提高电力性能,而且要提高循环能力。在汽车中尤其如此,司机希望能够延长电池寿命,同时缩短充电时间。

    现在已经提出了许多方法来提高和测试锂离子电池的性能,特别是通过电池设计工程方法。不幸的是,尽管有些方法提高了电池的性能,但从商业角度看,生产的电池还是不可行。这主要与细胞中的低密度和高成本有关。钱成开发了一种蜂窝状多孔石墨烯海绵,也被称为“魔术G”(MG),具有高导电性,高比表面积和高电解质吸收能力。海绵已经作为添加剂掺入锂离子电池的阳极和阴极,以提高速率能力和高速率循环性。

    Magic G是通过一系列方法生产的,最初是从石墨开始的。从那里,研究人员通过改进的悍马法氧化石墨,以生产氧化石墨。此后进一步进行热冲击和空气氧化处理,其形成了预制魔术G(前MG)的材料。然后在1000℃下热处理前体来实现魔术G。

    前兆和最终的Magic G产品均通过许多市售机器和方法进行了表征,包括场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)(日立SU8000),透射电子显微镜(TEM)(Hitachi H-90000UHR),原子力学显微镜(AFM)(Bruker Nano Scope V Dimension Icon),傅里叶变换红外(FT-IR)(Varian 7000FT-IR),拉曼光谱(NRS-7000),气体吸附(BELSORP18PLUSUS-HT)和温度程序解吸质量光谱法(TPD-MS)(Shimadzu GC / MS-QP2010 Plus)。加入魔术G后,电池的阳极和阴极都显示出更强的性能和充电速率。

    与其他非魔术G锂离子电池相比,向阳极添加0.5%(重量)添加量可使充电容量保持率在6次循环时从56%提高到77%,10次循环时的充电容量保持率从7%提高到45%。在阴极中,加入相同量的MagicG,并且在6次循环中,放电容量率从43%增加到76%,并且在10个循环中从16%增加到40%。通过添加石墨烯海绵,两种电极的高速率的循环性得到改善。

    除了更显着的改进之外,添加Magic G的电极电子传导性也增加了,电解质的吸附,并降低了活性材料的电荷转移电阻。生产的蜂窝状材料,作为下一代锂离子电池的添加剂具有很大的潜力,因为它们既具有高电荷密度又具有良好的速率性能,因此解决了许多难题。添加剂引入电极后的特性,对于用于电动车辆的锂离子电池是必不可少的。钱成还期待进一步优化未来的结构,以获得更高的性能。

 

 

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责任编辑:庞雪洁


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