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石墨烯电池技术前沿盘点

责任编辑: admin 发布时间2017-11-30    点击数:20033 次
  锂离子电池的作业原理是依靠锂离子在正极和负极之间移动来作业。在充放电进程中,Li+在两个电极之间往复嵌入和脱嵌:充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。锂离子电池由正负电极、隔阂和电解液构成,锂离子电池的正极资料必须有能接收锂离子的方位和分散的途径。要提高锂离子电池的功能。电极资料是关键。

依据美国伦斯勒理工学院研讨人员的估计,石墨烯电极资料比当今锂离子电池中惯用的石墨电极资料的充电或放电速度快10倍。

1美加州大学洛杉矶分校制成多孔三维石墨烯架构

锂离子电池的功能取决于电极资料功能。特别是资料不只应具有高导电性,并且还应能够供给电池充放电周期中,锂原子快速嵌入和再嵌入所需的极好孔隙率。

单层碳原子结构的石墨烯,虽然在理论上具有更大的比表面积和超卓的机械柔性。可是要在实际操作中将石墨烯集成于大体积的锂离子电池而无集合是很困难的,并且还会严峻下降比表面积。

依据这种状况,加利福尼亚大学洛杉矶分校的团队制备了一种石墨烯气溶胶,并用一种简略的办法将石墨烯气溶胶转换成溶剂化的石墨烯三维多孔架构,大大提高了锂离子交流和导电性。

为了制备这种石墨烯架构,科学家们经过一种改善的水热法,运用氧化石墨构成自在无支撑的石墨烯气溶胶立方体。经过简略的溶剂置换,他们将气溶胶结构转换成三维溶剂化的石墨烯架构。然后,可将这种溶剂化石墨烯架构很便利地压成薄膜,装入锂离子扣子电池,而不危害多孔的石墨烯网络结构。

这种易于制备的阳极不只可使锂离子的浸透更为快速,一起还坚持了石墨烯片层的大表面积和超卓的导电性。研讨标明,溶剂化的多孔三维石墨烯气溶胶结构,具有更好的电化学功能。

2韩国科研团队创造可提高锂离子电池功能的三维石墨烯资料

韩国科学技能研讨院(KAIST)的研讨团队创造的用于锂离子电池的新式石墨烯电极资料,与惯例锂离子电池比较,充电速度更快,并且电容量不会下降。

团队称,传统石墨烯是一种二维碳原子片层,制备办法一般是将石墨溶于一种化学溶液中,然后再将石墨别离成超薄的片层碳资料。

但这种办法制备的石墨烯会在碳片层资料上留下少数的杂质。资猜中杂质在经过必定时刻的运用后,会下降电池电容。团队选用化学沉积法,制备了不含任何杂质的三维方式的片层碳资料。与传统资料制备办法比较,新制备办法制备的石墨烯资料因为不含杂质,制备的电池再充电速度大幅提高。

相关测验现已证实,制备的电池在经过10000个再充电周期后,未发作电容下降现象。

3美科学家对三维石墨烯纳米泡沫电极的氢化处理,提高电池功能

锂离子电池的多项关键功能,例如,电容量、电压和能量密度,终究取决于锂离子和电极资料之间的结合程度。电极在结构、化学进程和形状方面的细小改变,都会明显影响锂离子和电极资料的结合强度。

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科研团队经屡次实验和核算发现,在锂离子电池(LIBs)中,经过对三维石墨烯纳米泡沫电极进行氢化处理,可明显提高电池容量和传输功能,这有助于依据石墨烯的高功率电极资料的研制。

团队的实验和多种核算标明,对富含缺陷的石墨烯进行刻意的低温氢处理,能够提高倍率容量。因为氢原子会与石墨烯中缺陷发作互动,打开了一些小的开口,促进了锂离子的浸透,然后提高了离子传输。经过提高氢原子最易结合的边界邻近锂离子的结合度,还能提高可逆容量。

为了研讨石墨烯中缺陷的氢化处理对锂离子贮存才能的效果,研讨团队在氢接触的进程中,尝试了各种不同的加热条件,并研讨了三维石墨烯纳米泡沫(GNF)电极电化学功能,这些电极首要由带缺陷的石墨烯构成。三维石墨烯泡沫无须运用黏合剂的特色,避免了添加剂运用带来的负面影响,因而是一种抱负资料。

该研讨标明,对依据石墨烯的阳极资料,进行受控的氢化处理,可作为一种优化锂离子传输和可逆贮存的有用办法办法。

4美科学家将硅粒子装在石墨烯“笼子”里,提高硅-锂离子阳极

硅资料制成的锂离子电池阳极的缺陷是:阳极容易发作胀大、决裂,乃至还会与电池电解液发作反响,构成影响电极功能的涂层。为此,美国斯坦福大学和美国能源部NLAC国家加速器实验室组成的科研团队规划了一个三步式的简略办法,将硅阳极粒子包裹在用石墨烯定制的“笼子”中,有望处理上述问题。

微观石墨烯笼子的尺度规划十分完美,巨细足以满意电池充电进程中硅粒子有满足的胀大空间,但一起又满足紧凑,以便在粒子别离后总能汇拢在一起,这样就使电极能继续坚持大容量。此外,柔性、健旺的石墨烯笼子还能阻挠电极与电解液发作有害的化学反响。

团队的测验结果标明,石墨烯笼子有用提高了粒子的导电性,构成了高蓄电才能并提高了化学安稳性和功率。这种办法还可用于其他电极资料,并有望完结真正意义上的低成本、高能量密度的电池资料。为了保证石墨烯笼子发挥杰出效果,需与硅粒子的尺度无缺匹配。

因而,科学家们规划了以下工序:

首要,对硅粒子涂覆适合厚度的镍。

然后,在镍层之上成长了数层石墨烯。镍层的效果是用作促进石墨烯成长的催化剂。

最终,团队再将镍层刻蚀掉,在石墨烯笼子里留下满足的空间,以容纳硅粒子的胀大。这些尺度精准匹配的石墨烯笼子是坚持电极高效运行的头道涂层,并且还可在相对较低的温度下完结一些化学反响。

据悉,运用这种新办法可选用直径更大的硅粒子,例如,可选用1~3微米或几百万分之一米的硅粒子,这种尺度的硅粒子低价、并可广泛取得。

事实上,团队选用的粒子与制备半导体芯片进程中研磨硅锭所发生的废料十分类似。而之前制备电池阳极时选用如此大直径的硅粒子底子无法到达杰出功能。尽管相关工序还需进一步优化,但该研制仍是被科学界视为是激动人心的效果。

5印度科学家新式锂离子电池阳极资料-钴+石墨烯气溶胶结构

金属氧化物具有代替锂离子电池中的石墨电极和锂合金阳极的潜能。氧化钴(CoO)具有较高的比容量和超卓的循环安稳性,在这一范畴的远景特别好。但是,氧化钴粒子聚会性和体积胀大大大约束了它作为阳极资料的使用。

印度科学教育和研讨学院的科研团队将氧化钴融合到一种石墨烯水凝胶中,运用石墨烯水溶胶三维支撑安稳的机械功能,有用避免了体积胀大问题。不只如此,这种充沛互联的混合资料还提高了导电性。

团队选用了一种水热技能(hydrothermaltechnique),首要制备了一些质地均匀的微结构(外形为有趣的玫瑰状)。然后,再将这种结构固定在复原的氧化石墨烯片层上,以便融于一种石墨烯水溶胶中。

与一般锂离子电池阳极资料比较,这种氧化钴-石墨烯水溶胶资料表现出超级好的电化学功能。氧化钴的一起外形以及它们与复原氧化石墨烯的交织结构,缩短了锂离子分散的间隔,也避免了在锂化反响/去锂化反响进程中因为体积胀大形成的一些遍及问题。

结语

依据相关猜测,全球锂离子电池商场到2020年有望增加到650亿万美金,到2025年增加到1300亿美金。商场增加动力首要源自对更好储能体系的需求以及在电动车、消费者电子(智能手机、平板电脑、笔记本电脑等)和可再生能源方面的使用,国际许多国家都在展开石墨烯用于电池范畴的研讨,以便抢夺技能先机。

美国能源部向其石墨烯制备企业XGScienc?es供给专项科研经费,赞助该企业一种低成本硅-石墨烯复合资料阳极的研制,方针是使锂离子电池的能量密度到达350Wh/kg,循环功能提高到1000个充电周期。

马来西亚石墨烯企业——Gra?pheneNanoChem与SyncR&D达成协议,一起研制用于电动公交车的新一代石墨烯增强型锂离子电池,该项意图方针是到2020年,行进在公路上的电动公交车到达2000辆,电动汽车到达10万辆。国际各国在石墨烯用于锂离子电极资料的创新研讨还有许多,这儿不再逐个罗列。

国内的相关企业可借鉴国外的相关经历,充沛运用石墨烯一起的优异功能,以问题为导向,经过“石墨烯+”,提前完结产业改造升级,抢占这一范畴的战略制高点。


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