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研究人員發(fā)現(xiàn)一種基于石墨烯納米結(jié)構(gòu)的鋰金屬電極材料

作者:中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)新聞中心 來(lái)源:EET 發(fā)布時(shí)間:2016-04-04 瀏覽:

中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊:中國(guó)清華大學(xué)(Tsinghua University)的研究人員最近發(fā)現(xiàn)一種基于石墨烯納米結(jié)構(gòu)的鋰金屬電極材料,可用于抑制鋰金屬電池中的枝晶生長(zhǎng),進(jìn)一步提升其電化學(xué)性能。

“目前廣泛使用的鋰離子電池越來(lái)越難以滿足便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)車(EV)日益增加的儲(chǔ)能要求。諸如鋰硫電池(Li-S)與鋰空氣電池(Li-air)等新的鋰離子金屬陽(yáng)極電池也都十分受歡迎。鋰金屬電池提供極高的理論性能,幾乎比石墨烯更多10倍的能量,”清華大學(xué)化學(xué)工程系副教授張強(qiáng)表示。

“然而,在連續(xù)的循環(huán)下,鋰金屬的實(shí)際應(yīng)用受到鋰枝晶生長(zhǎng)的強(qiáng)烈干擾,甚至引發(fā)對(duì)于安全的顧慮。鋰枝晶可能導(dǎo)致電池內(nèi)部短路引發(fā)起火。再者,鋰枝晶的形成也使得循環(huán)效率降低。”

枝晶生長(zhǎng)以及固體電解質(zhì)接口不穩(wěn)定都會(huì)消耗大量的鋰和電解液,導(dǎo)致不可逆的電池容量損失。

鋰在石墨烯薄層上的沉積/剝離過(guò)程示意圖

為了緩解枝晶的生長(zhǎng),目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出幾種方法了,包括調(diào)整電解液、采用人造固體電解質(zhì)接口層與電極結(jié)構(gòu)等。

“我們發(fā)現(xiàn),藉由大量減少局部電流密度,就能有效抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。根據(jù)這樣的概念,我們采用具有超高比表面積的非堆棧石墨烯材料,打造出納米結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極。結(jié) 果顯示這是一種十分有效的方法,”清華大學(xué)化學(xué)工程博士研究生兼該研究的主要作者Rui Zhang解釋,“此外,我們采用雙鹽電解液,取得更穩(wěn)定且更靈活的固態(tài)電解質(zhì)接口,以避免鋰金屬與電解液進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)。”

基于石墨烯的陽(yáng)極帶來(lái)多方面的進(jìn)展, 包括1666 m2g-1的較大比表面積帶來(lái)石墨烯陽(yáng)極表面的超低局部電流密度(僅有采用銅箔陽(yáng)極時(shí)的萬(wàn)分之一),同時(shí)抑制了枝晶的生長(zhǎng),從而帶來(lái)均勻的鋰沉積形態(tài)。

由于非堆棧石墨烯的高孔隙容量(1.65cm2 g-1),這種陽(yáng)極還可提供4.0mAh mg-1的高穩(wěn)定循環(huán)性能,比鋰離子電池中的石墨烯陽(yáng)極(0.372 mAh mg-1)更高10倍。

該陽(yáng)極并展現(xiàn)高導(dǎo)電性(435 S cm-1),帶來(lái)較低的接口阻抗、穩(wěn)定的充/放電性能,以及高循環(huán)效率。

“具有高比表面積的導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)陽(yáng)極帶來(lái)了超低的局部電流密度,這將有助于提高鋰金屬陽(yáng)極的穩(wěn)定度與電化學(xué)性能,”該研究的另一名作者Xin-Bing Cheng表示。相關(guān)研究成果已發(fā)表于最新一期的《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)期刊中。

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關(guān)鍵字:鋰電池 電解液

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