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    產業資訊 / Industry

    在硅電極上添加石墨烯梁可以使鋰電池的壽命延長一倍

    沃里克大學由WMG領導的新研究發現了一種用硅代替鋰離子電池陽極中石墨的有效方法,即用石墨烯梁增強陽極的結構。這可能會使可充電鋰離子電池的壽命增加一倍以上,并增加這些電池的容量。

    自索尼公司最初推出鋰離子電池以來,石墨一直是陽極的默認選擇活性材料,但研究人員和制造商長期以來一直在尋找一種用硅代替石墨的方法,因為它是一種豐富的可用元素,其重量能密度是石墨的十倍。不幸的是,硅還有其他幾個性能問題繼續限制其商業開發。由于硅顆粒在鋰化過程中的體積膨脹,硅顆??梢噪娀瘜W團聚,從而阻礙隨著時間的推移進一步的充放電效率。

    硅的內在彈性也不足以應付反復充電時的鋰化應變,導致陽極復合微觀結構的開裂、粉碎和快速物理降解。這大大有助于容量衰減,以及發生在對電極-陰極上的降解事件。以手機為例,這就是為什么我們必須為我們的手機充電更長和更長的時間,這也是為什么他們不承擔他們的費用,只要他們是新的。

    許多辦法試圖克服這些問題。例如,使用微米大小的石墨烯的納米/結構化硅粒子,但這并不令人滿意。使用納米硅顆粒顯著地增加了活性表面的數量。這導致在第一次充電周期中更多的鋰沉積在硅上,形成硅和電解質之間的固體電解質相間勢壘,從而大大減少鋰的庫存,從而大大降低電池的使用壽命。這一層也繼續生長在硅上,因此鋰的損失變得連續。其他方法結合其他材料,如不同尺寸的石墨烯,被認為是不切實際的,然后進展到大規模制造。

    然而,由沃里克大學WMG的Melanie Loveridge博士領導的新研究發現并測試了一種新的硅陽極混合物和一種化學修飾的石墨烯形式,它可以解決這些問題,并創造出可行的硅陽極鋰離子電池。這種方法實際上可以在工業規模上制造,而不需要使用納米硅尺寸及其相關問題。這項新的研究剛剛于2018年1月23日星期二在科學報告中發表,題為“硅-富層石墨烯(FLG)復合電極系統的相相關阻抗研究”。

    石墨烯當然是礦物石墨的一個單一的、一個原子厚的層(碳的同素體)。然而,也有可能分離和操縱幾個連接層的石墨烯,使材料研究人員稱為少層石墨烯(FLG)。以前的研究已經測試了FLG與納米硅的使用,但這項新的研究發現,FLG也可以顯著地提高更大微米大小的硅粒子在陽極中使用的性能。因此,這種混合物可以顯著延長鋰離子電池的壽命,并提供更高的功率能力。

    研究人員創造了一種由60%的微硅顆粒、16%的FLG、14%的鈉/聚丙烯酸和10%的碳添加劑混合而成的陽極,然后在100次充放電循環中考察了其性能(以及材料結構的變化)。

    這項研究的負責人、沃里克大學WMG高級研究員梅勒妮·洛維里奇博士說:“FLG的薄片混合在整個陽極上,作用就像一組堅固但相對彈性的梁。?這些片狀的FLG增加了材料的彈性和彈性,大大減少了硅在鋰化過程中物理膨脹引起的損傷。?石墨烯增強了陽極的長程電導率,在結構穩定的復合材料中保持低電阻。

    更重要的是,這些FLG片也可以證明非常有效地保持硅顆粒之間的分離程度。每個電池充電周期都增加了硅粒子相互電化學焊接的機會。這種增加的團聚越來越減少和限制電解質進入電池中的所有粒子,并阻礙鋰離子的有效擴散,這當然會降低電池的壽命和功率輸出。沃里克WM G大學測試的混合物中存在FLG,導致研究人員假設這種現象在減輕電化學硅熔化方面是非常有效的。

    WMG研究小組已經開始進一步研究這一技術進步,其中將包括進一步研究和研究,作為由Varta微創新領導的石墨烯先鋒兩年項目的一部分,Warwick大學的WMG與劍橋大學、CIC、Lithops和IIT(意大利理工學院)是合作伙伴。該項目的主要目標是推動硅/石墨烯復合材料的工業化前生產及其隨后加工成鋰離子電池,用于高能和高功率應用。作為該項目的一部分,Warwick的WMG將優化電極研究,擴大和郵袋電池制造的優化鋰離子電池。

     

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