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石墨烯海綿添加劑可用于增強鋰電池性能

2017-05-03 09:42:58 作者：本網整理來源：烯盟資訊分享至：

鋰電池已成為非常理想的產品，特別是在移動設備和高效節能運輸車輛中。為了滿足當前的需求，鋰離子電池需要不斷提高的兩個性能是倍率性能和功率性能。

來自日本NEC公司的研究員錢成開發了一種多孔石墨烯海綿添加劑，也稱為Magic G，可用于鋰離子電池的陽極和陰極，以提高其速率和功率性能。

    在過去20年中，鋰離子（Li-ion）電池的應用技術已經滲透到了許多領域，無論是常用的日常用品，如移動設備，還是更多的專業技術，如電動汽車（EV）、混合動力汽車（HEV）或智能能源系統。鋰電池具有多種形式，但市售的裝置通常由石墨陽極和LiMO 2層狀陰極結構組成，其中M通常是由鈷，鎳或錳組成的二元或三元系統的代表。

    盡管經過多年的研究和開發，鋰離子電池顯示出一些很好的性能（包括電池級別的重量能量密度大于160Wh / kg），但由于充放電能力差和高倍率性能，它們仍然受到低功耗的影響。

    由于其采用的能量密度集中的電池設計，現在許多電池的性能較差。電池結構的方式需要陽極和陰極上的高質量負載，低電解質系數，陽極和陰極的低孔隙率，少量的導電添加劑，含有低表面積的活性材料。因為需要平衡這么多參數，則不可避免地導致高能量密度的鋰離子電池表現出較差的功率性能。

    由于其采用的能量密度集中的電池設計，現在許多電池的性能較差。電池結構的方式需要陽極和陰極上的高質量負載，低電解質系數，陽極和陰極的低孔隙率，少量的導電添加劑，含有低表面積的活性材料。因為需要平衡這么多參數，則不可避免地導致高能量密度的鋰離子電池表現出較差的功率性能。

    隨著鋰離子電池的消費需求的增加，特別是從小型設備到電動汽車的實現，不僅要提高電力性能，而且要提高循環能力。在汽車中尤其如此，司機希望能夠延長電池壽命，同時縮短充電時間。

    現在已經提出了許多方法來提高和測試鋰離子電池的性能，特別是通過電池設計工程方法。不幸的是，盡管有些方法提高了電池的性能，但從商業角度看，生產的電池還是不可行。這主要與細胞中的低密度和高成本有關。錢成開發了一種蜂窩狀多孔石墨烯海綿，也被稱為“魔術G”（MG），具有高導電性，高比表面積和高電解質吸收能力。海綿已經作為添加劑摻入鋰離子電池的陽極和陰極，以提高速率能力和高速率循環性。

    Magic G是通過一系列方法生產的，最初是從石墨開始的。從那里，研究人員通過改進的悍馬法氧化石墨，以生產氧化石墨。此后進一步進行熱沖擊和空氣氧化處理，其形成了預制魔術G（前MG）的材料。然后在1000℃下熱處理前體來實現魔術G。

    前兆和最終的Magic G產品均通過許多市售機器和方法進行了表征，包括場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）（日立SU8000），透射電子顯微鏡（TEM）（Hitachi H-90000UHR），原子力學顯微鏡（AFM）（Bruker Nano Scope V Dimension Icon），傅里葉變換紅外（FT-IR）（Varian 7000FT-IR），拉曼光譜（NRS-7000），氣體吸附（BELSORP18PLUSUS-HT）和溫度程序解吸質量光譜法（TPD-MS）（Shimadzu GC / MS-QP2010 Plus）。加入魔術G后，電池的陽極和陰極都顯示出更強的性能和充電速率。

    與其他非魔術G鋰離子電池相比，向陽極添加0.5％（重量）添加量可使充電容量保持率在6次循環時從56％提高到77％，10次循環時的充電容量保持率從7％提高到45％。在陰極中，加入相同量的MagicG，并且在6次循環中，放電容量率從43％增加到76％，并且在10個循環中從16％增加到40％。通過添加石墨烯海綿，兩種電極的高速率的循環性得到改善。

    除了更顯著的改進之外，添加Magic G的電極電子傳導性也增加了，電解質的吸附，并降低了活性材料的電荷轉移電阻。生產的蜂窩狀材料，作為下一代鋰離子電池的添加劑具有很大的潛力，因為它們既具有高電荷密度又具有良好的速率性能，因此解決了許多難題。添加劑引入電極后的特性，對于用于電動車輛的鋰離子電池是必不可少的。錢成還期待進一步優化未來的結構，以獲得更高的性能。