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使用皱巴巴的石墨烯球制造更好的电池

2019/12/30 12:13:50 来源:互联网 作者:佚名 
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锂金属电池具有颠覆电池产业的潜力。随着理论上锂金属的超高容量的使用,这种新型电池可以为从个人设备到汽车的所有东西提供动力。


“在目前的电池中,锂通常以原子的形式分布在另一种材料中,如阳极中的石墨或硅,”西北大学的嘉兴黄教授解释说。但是使用额外的材料会稀释电池的性能。锂已经是一种金属,为什么不自己使用锂呢?”.


答案是科学家多年来一直试图克服的研究挑战。当锂在电池中充电和放电时,它开始长出树突和细丝,“这造成了许多问题,”黄说。“充其量,它会导致电池性能迅速下降。最糟糕的是,它会导致电池短路,甚至起火。”


目前绕过锂破坏性树突的一种解决办法是使用多孔支架,例如由碳材料制成的支架,锂优先沉积在这种支架上。当电池充电时,锂可以沿支架表面沉积,避免枝晶生长。然而,这带来了一个新的问题。随着电池的循环,锂沉积在多孔支架上,然后溶解,其体积波动很大。这种体积波动会引起应力,从而破坏多孔支架。


黄和他的合作者通过采取不同的方法解决了这个问题--一种甚至可以使电池重量更轻、能容纳更多锂的方法。


解决方案是在一个脚手架,由皱缩石墨烯球,可以很容易地堆叠形成多孔脚手架,因为他们的纸球状。它们不仅能阻止枝晶的生长,而且还能在锂含量波动的压力下生存下来。这项研究被刊登在“焦耳”杂志1月刊的封面上。


西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程教授黄说:“制造能保持高压力的东西的一种普遍理念是使它变得如此强大,以至于它是牢不可破的。”“我们的策略是基于一个相反的想法。我们的脚手架不是试图让它坚不可摧,而是由松散的堆叠的粒子组成,可以很容易地重新堆积。”


六年前,黄发现了皱巴巴的石墨烯球,这是一种新的超细粒子,类似于皱巴巴的纸球。他通过将石墨烯基薄片雾化成微小的水滴来制造粒子。当水滴蒸发时,它们产生了毛细力,将床单揉成微型纸球。


在黄的团队的电池中,皱缩的石墨烯支架在阳极和阴极之间循环时,可以容纳锂的波动。当锂沉积时,这些皱巴巴的球可以分开,然后在锂耗尽时很容易地重新组装在一起。由于微型纸球是导电的,并允许锂离子在其表面快速流动,支架制造了一个连续导电,动态,多孔的锂网络。


该论文的合著者、天津大学化学工程教授罗嘉彦说:“紧密地包装,这些皱巴巴的石墨烯球就像一个高度均匀、连续的固体。”“我们还发现,皱缩的石墨烯球不是形成团簇,而是相当均匀地分布。”


他曾是黄教授的顾问,2013年获得了材料科学和工程博士学位。现在,作为天津大学的教授和研究员,罗先生继续与黄教授合作。


与在阳极中使用石墨作为主材料的电池相比,黄氏溶液重量轻得多,并且在循环期间能够稳定更高的锂负载。而典型的电池封装的锂只有几十微米厚,而黄氏电池则将锂堆叠150微米高。


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