17年专注锂电池定制

石墨烯中高密度锂可增加电池容量

来源:钜大LARGE    2019-10-16    点击量:138

双层石墨烯产生高密度锂,可增加电池容量。关于电池的讨论常常围绕着能量密度展开。


我们想要的是一种电池,它能在很小的体积里储存大量的能量,最好是不发生爆炸或火灾。在最前沿的研究中,我们得到的是一种混合的神奇电池。


坦率地说,与传统的铅酸电池相比,现代电池是一个奇迹。然而,它们每单位质量所含的能量仍然低于同等质量的木材。本质上,我们只是没有把足够多的原子压缩成足够小的体积来与碳氢化合物竞争。


但是,现在看来,石墨烯——可能有助于锂的填充。


看不见的金属


尽管制造锂离子电池的方法有很多,但其化学原理可以归结为:锂以某种形式储存在一个电极上。锂以离子的形式被释放出来,在那里它移动到另一个电极并发生反应。与此同时,完成反应的电子通过一个电极到达外界,做一些功,最后到达另一个电极,在那里完成反应。


这里的关键是锂通常以轻质低密度碳化锂的形式储存。寻找增加锂密度的材料是增加电池容量的一种方法。


这就是电池研究经常遇到问题的地方。锂是一种很轻的元素。碳是电池的另一个主要成分,也是一种非常轻的元素。用电子显微镜看,它们几乎一模一样。这使得研究锂如何在电极上积聚变得非常困难,也使得人们很难看到锂在储存过程中形成的结构变化(或者这些结构在被移除时是如何分解的)。


然而,情况比这更糟。电子显微镜通常使用能量很高的电子来成像。电子有足够的能量把碳原子和锂原子从被检测的结构中撞出来。当你创建了你的形象,你已经破坏了你所想象的结构。不是最理想的。


带着透射电子显微镜进入一组科学家的队伍,该显微镜被设计用于研究低能电子。显微镜仍然有足够的分辨率来观察单个原子,因此可以确定结构。通过研究电子在穿过样品时损失了多少能量,研究人员也能算出样品的含量。最后,收集图像的时间足够短(大约1秒),研究人员可以观察到电池使用时结构的建立和衰变。


锂三明治


由于透射电镜要求电子通过样品,碳-锂层必须非常薄。研究人员选择了石墨烯双层带(石墨烯是单层石墨烯,碳原子排列成蜂窝状)。在石墨烯带的一端放置一团含有电解质的锂离子。


沿着色带放置了一系列电极来测量和设置电压。电压被用来驱动锂进入色带并允许它再次离开。当锂离子在带状结构中积累时,电阻下降,使得第二组电极能够检测到锂离子的存在。


研究人员没有说出来,但我认为他们对发生的事情感到非常惊讶。锂在两个石墨烯带之间的间隙移动得相当快。在他们的图表上,锂元素立即出现在电极之间。从电影里看,它似乎要花14秒才能跑到50微米,我觉得这个速度快得惊人。


锂的含量也相当惊人。通过研究锂的结构和元素组成,研究人员发现锂并没有像预期的那样形成碳化锂。相反,它形成了多层结晶锂,只有最外层与碳结合。但是金属锂并不是它通常的形式。相反,锂会形成一种高密度的状态,这种状态通常在低温或高压下才会出现。


这非常有趣,甚至可能被证明是有用的。但现在还不是时候。首先,高密度的锂只在两片近乎完美的石墨烯之间形成,而不是那种你可以从制造商那里买到的石墨烯。的确,在缺陷的边缘附近,电子在电子显微镜中所提供的能量足以将金属锂烧开。


即使我们能够获得大量高质量的双层石墨烯薄片,也不能确定锂在充电周期中是否会像所需那样扩散得那么深。很容易想象第一个锂离子聚集成一团,阻止剩余的锂进入三明治。


石墨烯在这一过程中能否存活很长时间也不确定。这是金属锂电池的主要问题之一:电极会在多次循环中自我破坏。我们不知道石墨烯的使用寿命是否会超过目前的电极设计。


尽管如此,研究人员并没有把它作为一种电池就绪的技术来展示。相反,它是一个很好的例子,说明了实验的必要性如何导致了一组有趣的新观察结果,我们可能会从中学到很多东西。如果我们幸运的话,它最终会帮助电池变得更好。


文章转载自公众号:石墨烯雷达


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