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烯闻丨斯坦福大学:锂电池革命性突破!锂合金/石墨烯“千层饼”登场

来源:江南石墨烯研究院网址:http://mp.weixin.qq.com/
导读

锂离子电池,顾名思义,通过在电池的两个电极之间移动锂原子来实现。因此,增加电池的容量主要在于寻找将更多锂放入电极的方法。然而,这些研究人员的不懈努力遇到了重大问题。如果锂是电极材料的大部分,则将其移出可能会导致电极收缩。将其移回可能导致锂沉积在错误的地方,使电池短路。


     7月10日,《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)刊发了美国斯坦福大学材料科学与工程系教授崔屹课题组研发出一种锂合金/石墨烯箔片负极,该负极的容量接近锂金属的理论体积容量,且具有优异的安全特性。该论文题为“Air-stable and freestanding lithium alloy/graphene foil as an alternative to lithium metal anodes”。



  “市面上常用的锂离子电池以石墨为负极,如果换成锂金属,其容量可增加10倍。然而锂金属太活泼,遇水易燃,生长枝晶会使电池短路,存在很大的安全隐患,距离真正应用还十分遥远。”崔屹指出,科学家一直在寻找容量高、安全性能好的电池电极替代品。



  崔屹教授课题组已经掌握如何在石墨烯中包裹大量的锂。由此产生的结构在离开时保持锂的位置,允许它流回到它开始的地方。课题组研发出一种锂合金/石墨烯箔片负极,该负极的容量接近锂金属的理论体积容量,且具有优异的安全特性。所得材料(他们称之为锂-石墨烯箔)的测试表明,它可以使电池具有接近现有锂电池能量密度的两倍


  增加电极中锂的量的一个明显的解决方案是简单地使用锂金属本身。但这不是最简单的事情。锂金属的反应性低于周期表列中的其他成员(钠和钾),但它仍然与空气,水和许多电解质材料反应。此外,当锂离开电极并返回时,无法控制其重新形成金属的位置。在几次充电/放电循环之后,锂电极开始片层出现塌陷,其最终周期使用到足以使电池短路


 


表面已产生反应的锂金属


  为了更好地控制锂在电极上的表现,课题组研究了一些富含锂的合金的使用。例如,锂与硅形成复合物,硅的每个原子通常具有四个以上的锂原子。当锂离开电极时,硅停留在后面,提供了当在充电/放电循环的另一半上返回时结合锂的结构。


  这解决了锂金属的问题,但它创造了一个新的运作方式:当锂运行到另一个电极时留下的硅只是不占用同样电极填充锂-硅混合物时的体积。结果发现,电极在充放电循环期间膨胀和收缩,使电池处于物理应力状态。(注意,锂金属电极完全消失,可能导致更大的机械应力)


  论文共同第一作者、斯坦福大学博士生赵婕则表示,将紧密堆积的锂合金纳米粒子包裹在大片的石墨烯片层中,可制备出锂合金/石墨烯“千层饼”。由于锂合金本身即是体积最大的状态,且被局限在导电性高、化学稳定性好的石墨烯“饼”中,避免了合金负极的体积膨胀和锂金属负极的枝晶生长问题。该“千层饼”还可与高容量硫正极组装成高效、稳定、寿命长的电池,大大增加电池的能量密度和安全性能。



  在新的研究工作中,研究人员将早期的锂硅工作与石墨烯相结合。石墨烯是连接在一起的单原子厚的碳原子片,并且它具有许多对电池有好处的性质。电力充足,电池充放电时,可以轻松地将电量从锂转移出来。它也非常薄,这意味着将大量石墨烯分子包装到电极中并没有占用太多的空间。对于这项工作来说,石墨烯机械性很强。


  为了制作他们的电极材料,该团队制造了锂硅材料的纳米颗粒。然后将它们与石墨烯片以八比一的比例混合。加入少量的塑料前体,将整个混合物铺展在塑料块上。一旦扩散,聚合物前体在石墨烯纳米颗粒混合物的顶部产生聚合物薄膜。这可以被剥离。


  所得到的材料(它们称之为箔)包含通常被三至五层石墨烯包围的大量纳米颗粒。根据您制作箔的厚度,可以有几层纳米颗粒簇,每层由石墨烯分隔。


  论文共同第一作者、斯坦福大学博士后周光敏进一步指出,锂金属负极在空气中非常不稳定,已报道的各种包裹策略并不能彻底解决这个问题。而在这种“千层饼”结构中层层叠叠的大片石墨烯紧密包裹住活泼的锂合金,起到了疏水和隔气的作用,使得该富锂负极具有良好的空气稳定性。


  石墨烯片使材料相当坚固,因为可以折叠和展开它,仍然将其用作电池电极。它们还有助于保持空气与锂的反应。即使经过两周暴露于空气中,箔仍保留约95%的电极作为电极。降低起始混合物中使用的石墨烯的分数,电极在同一两周内损失近一半的容量。


  它的电极效果非常好。当锂离开时,纳米颗粒确实收缩,但是石墨烯片将结构保持在一起并使其不会收缩。即使在400次充放电循环之后,它也保留了原始容量的98%。也许最重要的是,当与氧化钒阴极配对时,能量密度刚刚超过每瓦500瓦特小时。目前的锂离子电池大约是一半。


  通常,这样的研究成果可能需要一段时间才能离开实验室,并让公司开始研发。然而,在这种情况下,研究组织的负责人已经有一家在市场上有电池的创业公司。所以这样做可能需要更少的时间进行彻底的商业评估。最大的粘附点可能是石墨烯的成本。石墨烯每千克仍然是数千美元,虽然已经下降,很多人正在寻找使其更便宜的方法。


  崔屹表示,凭借其高容量、优异的循环性能和安全特性,该锂合金/石墨烯箔片不仅在传统的锂离子电池中有应用前景,而且有望作为锂金属负极替代者应用于下一代锂/空气、锂/硫电池中。


  相关论文全文发表在 Nature Nanotechnology (2017) DOI: 10.1038/nnano.2017.129)上。



资料来源:Ars technica、科技大侦探、科技日报

小编:王小山


文章分类: 行业新闻
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