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新的石墨烯空气电极可提升锂电池容量达15000毫安时/克

钜大LARGE  |  点击量:304次  |  2019年08月06日  

摘要
中国电池网 锂离子电池已广泛用于许多电子设备,在我们日常生活中很重要。然而,二十年来,稳步提高10-15%之后,锂离子电池的能量密度目前已接近其理论极限,制约它能量的,就是这些电池使用的阴极和阳极材料。因此
锂离子电池已广泛用于许多电子设备,在我们日常生活中很重要。然而,二十年来,稳步提高10-15%之后,锂离子电池的能量密度目前已接近其理论极限,制约它能量的,就是这些电池使用的阴极和阳极材料。因此

锂离子电池已广泛用于许多电子设备,在我们日常生活中很重要。然而,二十年来,稳步提高10-15%之后,锂离子电池的能量密度目前已接近其理论极限,制约它能量的,就是这些电池使用的阴极和阳极材料。因此,近年来,全球都积极追求下一代能源储存系统。


有一种这样的系统就是金属/空气电池,它具有高得多规格能量,胜过现有的大多数原电池和充电电池


(a)功能性石墨烯片结构示意图(上图),具有理想的双峰多孔结构(较下方的图像),这非常有利于锂氧电池运行。(b)锂氧电池的放电曲线采用FGS(C / O = 14)作为空气电极(PO2 = 2 ATM)。


“金属/空气电池是独特的,因为正极活性材料不是存储在电池中,”张基广(Ji-Guang Zhang)博士说,他是西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)转型材料科学项目的研究员。“相反,环境中的氧气被还原,在空气电极内的催化表面,形成一种氧物化或过氧化氢离子(peroxide ion),进一步与电解液中的阳离子(cationic)成分反应。Li/O2偶特别有吸引力,因为它可能具有最高的规格能量,在所有已知的电化学偶中都是这样。”


在迄今探讨的各种电化学储能系统中,锂空气电池最有前途的一种技术,理论能量密度接近十倍于传统的锂离子电池。这是因为锂金属作为阳极,容量十倍于传统石墨阳极,而氧气作为锂空气电池的正极,可从环境中自由吸收,这就显著减少了电池重量和成本。


为了用于实用设备如电动汽车,研究人员期望,锂-空气电池达到约800瓦时/千克的能量密度,这就三倍于最先进的锂离子电池。因此,锂-空气电池有极大潜力,可进行许多应用,这就要求能量储存系统要超越锂离子电池,如远程电动汽车,每次充电可以行驶500多公里。


报道他们的成果,是在2011年10月10日《纳米快报》(Nano Letters)在线版,题目是《分层多孔石墨烯用作锂空气电池电极》(Hierarchically Porous Graphene as a Lithium-Air Battery Electrode),张基广和他在西北太平洋国家实验室的小组证明,一种新的空气电极,包含不寻常的分层排列功能化石墨烯薄片(无催化剂),可带来极高的锂氧电池容量,就是15000毫安时/克,这是这一领域有史以来报道的最高值。


这种锂-空气电池的性能受许多因素影响,如电解质成分,宏观结构的空气电极,微观直到纳米结构的含碳材料。反应产物(如Li2O2)沉淀在含碳电极上,最终会阻塞氧气通道,限制锂-空气电池的容量。


太平洋西北国家实验室小组最近的工作,最大限度地减轻了空气电极阻塞问题,显著提高了的容量。


“以前的工作使用介孔炭或石墨烯薄片,或浇铸成一种堆叠式二维结构,这就限制了它的可用容量,”张基广说。“我们的工作首次展示了一种自我组装的、双峰石墨烯结构,既有微米大小的开放孔隙,可加快氧气扩散,也有大量纳米孔隙(2-50纳米),可催化Li-O2反应,同时防止过快增长的放电产物阻塞化学通道。”


此外,研究表明,石墨烯的缺陷和功能组,有利于形成孤立的纳米尺寸的Li2O2颗粒,有助于防止空气电极中的空气阻塞。成片石墨烯的分层有序多孔结构,可进行实际应用,促进使用这种结构的大多数石墨薄片。


制备空气电极采用功能化石墨烯薄片时,这种功能化石墨烯薄片首先要分散在微乳溶液中,这种溶液也包含电极粘结剂材料。经浇铸并干燥后,非常不寻常的形态就会制成。


“令人惊讶的是,这种功能化的石墨烯薄片聚合成松散堆积的“破蛋”结构,留下很大的相互连接的隧道,一直穿进整个电极深处,”张基广说。“这些隧道作用就像众多的动脉,不断供应氧气进入电极内部,在放电过程中就是这样。更重要的是,这种复杂的孔隙结构在电解液渗透后仍然保留下来,不像测试过的其他多孔碳材料。”


他们用扫描电子显微镜(SEM)观察“碎蛋”的“壳”,研究人员发现,这些“壳”包含许多较小的连续纳米孔,连通大隧道。张基广指出,这种独特的形态是一种理想的设计,可用于空气电极。“在放电过程中,强大的大型隧道可以作为“高速公路”,供应氧气进入空气电极内部,同时,壁上的小孔都是出口,提供三相(固态-液态-气态)区域,进行氧气还原。”


一些障碍仍然需要克服,之后这种电池系统才可以大规模应用。主要障碍包括:放电速度低;电解质稳定性和锂-空气电池的可逆性;需要氧气选择性膜,以减轻容量退化,这种退化源自水分渗透;需要防止锂枝晶(dendrite)生长,以延长循环寿命。


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