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“厉害了”折叠式石墨烯增强了锂离子电池储存的能量
2018.02.06   点击139次

      由折叠石墨烯制成的阳极,会使电池的储能能力可以显著提高。同样5mg / cm 2石墨烯经折叠后的器件具有大于4mAh / cm 2的面积容量,这远远高于商业石墨阳极,并且其可以承受至少500次循环的充/放电,性能还不会有任何损失。韩国的研究人员认为,简单的折叠策略也可很容易地用于其他电极材料。

       蔚山基础科学研究所(IBS),蔚山国立科学技术研究院(UNIST)和韩国UNIST多维碳材料研究中心(UNIST)的联合小组组长Rodney Ruoff和Soojin Park解释说:“小型高能量密度电池在便携式电子设备和电动汽车等大型储能设备中的应用将越来越多。为了减少电池尺寸,高面积和高容量的电极是至关重要的,但是问题是,非活性材料或传统电极装置中,往往存在的孔隙结构,从而形成空间‘浪费’。”

       “例如,这些电极可以由石墨烯制成,是由密集堆叠层状结构的石墨烯复合膜组合而成,但由于电子/离子传输动力学差,所以它们存在储存能量面积小的问题。而折叠电极却不是这样,虽然也是由石墨烯复合膜制成的,但大大改善的电子或离子传输,因此在多次充电循环中具有较高的面积容量。”

      新的路径和通道

      与传统厚膜电极相比,纸状折叠电极包含许多连续的分层膜。这些薄膜边缘处的褶皱提供了自由电子可以流过的新路径,并且折叠层之间存在的小间隙形成锂离子可以扩散的多个通道。这些路径和通道显著增加面积/体积能量密度。实际上,由氧化锡/石墨烯制成的折叠电极含有多达5mg / cm 2的活性材料,而厚度仅为20微米。 它也具有4.15mAh / cm2的高面容量,这比2.50到3.50mAh / cm2之间的面积容量的商品石墨阳极高得多。

      折叠电极在500次循环的电池充放电过程中保持稳定,与相同质量负载的活性物质的厚石墨烯但没有折叠的电极相比,其性能成倍提升。

      不需要粘合剂,碳添加剂或金属集电器

      Ruoff and Park说道: “多次折叠石墨烯电极实际上是加厚电极的一种方法,通过这种方法增加电极厚度,同时保持电极沿着褶皱的电子传输效率,因此电极具有如此高的面积/体积能量密度。

      这还不是全部的成果:研究人员说他们可以将独立电极组装在电池中,而不必采用浆料涂覆等传统方法来制造这些电极。他们也可以完全没有粘合剂,碳添加剂和金属集电器。

      更轻的电池和更高的能量密度

      团队成员王斌解释说:“我们的方法大大降低了电池的最终重量,并提高了能量密度。例如,在用标准石墨阳极和标准LiCoO2阴极制成的全电池(包含阳极和阴极)中,能量密度约为271Wh / kg,但在我们的折叠石墨烯阳极系统和相同的LiCoO2 阴极,达到452 Wh / kg。这样的电池在300次充/放电循环中也是稳定的,并且具有高达2.84mAh / cm2的面积容量。

      Ruoff认为:“好消息是折叠技术可以扩展到其他类型的活性材料上,甚至其他类型的可再充电电池上而不仅仅是锂离子电池。更重要的是,在折叠电极中新的更复杂的折叠方式也值得研究,而不是简单的来回折叠。”队员Jaegeun Ryu补充说:“事实上,折叠方法甚至可能对超级电容器中的电极有用。”

      Wang也补充说:“而在另外一个关于复合材料的研究项目中,我们正在尝试使用这种折叠技术来制造微型薄膜(包括由复合材料制成的那些)的厚样本。 这种自下而上的方法对于控制竣工材料的结构和性能可能是有用的。”

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