鋰離子電池容量增加有新招,用弄皺的石墨烯球來製成支架

作者 | 發布日期 2018 年 01 月 26 日 15:36 | 分類 材料 , 電池 follow us in feedly

鋰離子電池是現下隨處可見的電池,無論 3C 產品或未來的電動車,使用都是鋰離子電池為最大宗,於是材料學者與研究人員十分關注鋰離子電池的容量、壽命與安全性。近日美國西北大學利用弄皺的石墨烯球,讓鋰離子電池有突破性的發展,可增加電池的容量並減少晶枝產生。



西北大學 McCormick 的材料科學教授 Jiaxing Huang 表示,目前的電池中,通常用矽或是石墨來當鋰離子電池的陽極材料,但使用這些材料會讓電池的電能下降。鋰本身即是具導電性的金屬,於是他們打算使用鋰做陽極材料。

但鋰活性較強,在充放電時容易沉積,並在陽極產生樹枝狀晶枝,進而阻礙電池的性能或是刺穿絕緣層,最終導致電池短路或是爆炸。目前各國廠商與研究所也正尋找緩解晶枝生長的方法,例如使用不同的電解液。

也有研究人員認為可以製造一個支架,讓鋰金屬沉積在上面,但隨著充放電次數增加,鋰的體積會產生變化,導致支架不堪負荷。西北大學的研究人員則發現可以用凹凸不平的石墨烯球堆疊做成支架,除了能承受鋰的壓力,也可以防止晶枝生長。

西北大學早在 2011 年就開始研究弄皺的石墨烯球,其將石墨烯霧化(atomizing)成微小的水滴形狀,利用水分蒸發時的毛細管力(capillary force)作用,將石墨烯變成粗糙的球形。當時研究發現,由於可以保有石墨烯的導電性與表面積大小,皺皺的石墨烯球更能保存能量。

而如今西北大學將石墨烯球堆疊成多孔支架,讓鋰金屬可沉積在上面,避免晶枝生長。Huang 表示,他們要製造一個可在高壓狀態下強度足夠、不會破裂的支架。而我們的策略是反向思考,利用鬆散的顆粒製成,不是將石墨烯球緊密固定住。

該石墨烯支架具有導電性,可以讓鋰離子在陰極與陽極間流動,而當鋰沉積時,石墨烯球會相互分開,在鋰耗盡時再組裝回去。中國天津大學化學工程系副教授 Jiayan Luo 表示,弄皺的石墨烯球也不會黏成一團,可封裝成均勻且連續的固體。

與一般石墨做陽極的電池相比,該電池的溶液重量較輕,且能在頻繁充放電時負荷鋰離子的沉積作用。以往的電池僅能讓鋰沉積幾十微米,該電池則能堆疊高達 150 微米的鋰離子。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:西北大學

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