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石墨烯氧化物纳米片加速锂金属电池投入市场

作者:中国储能网新闻中心  来源:材料科技在线  发布时间:2018-3-20 9:37:12

中国储能网讯:锂金属电池比我们目前在手机、笔记本电脑和电力汽车上使用的可充电锂离子电池多出10倍的电量。然而,锂金属电池存在一个致命的缺陷,那就是这些电池的充放电过程会导致锂不均匀地沉积在电极上,因而没有投入商业化使用。这种沉积现象不仅减少了这些电池的使用寿命,更严重还会导致电池短路。

目前,芝加哥伊利诺斯大学的研究人员在锂金属电池的两个电极之间放置了一种涂有石墨烯氧化物的“纳米薄片”,从而防止了锂离子发生不均匀电镀,并使得电池能够在数百次充放电循环中安全运行。研究人员在“高级功能材料”杂志上报道了他们的发现。

“我们的研究结果表明,二维氧化石墨烯材料可以在这种情况下控制锂离子的沉积,从而延长锂金属电池的使用寿命。”芝加哥大学工程学院的机械与工业工程副教授、该论文的作者Reza Shahbazian-Yassar这样表示。

与传统电池相比,锂金属电池拥有更高的能量密度和相对较轻的重量。然而,在电池充放电循环过程中,锂离子以一种分支或“树突状”的结构不均匀地堆积在金属电极上,最终使得电池失效。如果“树突状”晶体在电解质溶液中生长并与另一个电极接触,那么电池就可能会发生灾难性问题。

放置在锂离子电池电解液中的隔膜,通常由多孔聚合物或玻璃陶瓷纤维制成。该隔膜允许锂离子通过,同时保持阻塞其它组分,以防止发生电路短路。

Reza与同事在锂金属电池中使用了一种改良的隔膜来调节锂离子的流动,从而控制锂离子的沉积速率,并观察是否可以防止它们形成树枝状晶体。他们在玻璃纤维隔膜上喷涂了一种石墨烯氧化物,制作成纳米薄片,即新型隔膜。

芝加哥大学工程学院的研究生兼该文章的第一作者Tara Foroozan 说:“研究人员利用扫描电子显微镜和其他成像技术发现,实际上在锂金属电池中使用这种纳米薄片的时候,锂电极表面形成均匀的锂膜改善了电池性能,使电池变得更安全。”

德克萨斯A&M大学研究团队的分子模拟试验表明,锂离子暂时会粘附在氧化石墨烯上,然后在薄片中的纳米级缺陷区域发生扩散,降低了锂离子的通过速率,抑制了在电极上形成锂的树突状晶体沉积。

Reza说:“纳米薄片降低了锂离子的通过速率,有助于在电极表面更均匀地镀上锂离子,从而延长电池寿命。”

芝加哥大学工程学院的机械和工业工程系教授、该论文作者Farzad Mashayek指导的相场模拟实验计算结果表明,氧化石墨烯还可以抑制树突状锂晶体的生长。

Shahbazian-Yassar说:“我们发现由于氧化石墨烯层时改变了锂离子扩散速率,所以二维石墨烯氧化物材料能够抑制树突状晶体的形成。这种方法具有很高的工业应用潜力,可扩展性很强”

关键字:石墨烯

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