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石墨烯在储能领域应用现状及挑战(2)

北极星储能网  来源:烯碳资讯    2016/10/21 9:12:18  我要投稿  

锂电池包含4 个关键组件, 即正极、负极、电解液和隔膜, 其中正极和负极材料对锂电池的性能起着决定性的作用。含锂金属氧化物如Li CoO2和高纯度石墨作为正极和负极的锂电池已经商业化多年,其基本原理在于加电时正极中的锂离子通过电解质和隔膜迁移并储存在石墨层间, 后者在放电时再经由电解质和隔膜回到正极。


然而, 石墨烯可直接用作负极材料, 且有比石墨负极高得多的比容量(1500毫安时/克,放电电流为100毫安/克) , 这是石墨烯理论容的两倍。这样高的比容量主要源于石墨烯边缘大量缺陷的存在和石墨烯良好的导电性能(石墨烯片层尺寸在30 -100纳米) , 其电极薄膜电阻仅为1 欧。如果将此石墨烯负极与Li FePO4 正极组成全电池, 则有望达到380瓦时/千克的理论能量密度和190瓦时/千克的实际能量密度, 这一性能虽高于Li CoO2石墨负极组成的锂电池, 但仍低于期望的能量密度。

而且, 石墨烯负极还存在着循环寿命低的问题,目前的文献报道多是在较低循环次数(例如80次循环) 下得出的, 与实际应用还有相当距离。石墨烯负极的循环稳定性在一定程度上源于锂离子反复嵌入-脱嵌过程中诱发的再次聚集, 这在使用还原性的氧化石墨烯中会更加显著, 因为所发生的电化学反应会失去含氧官能团,使得石墨烯片层之间更易于发生再次聚集, 从而降低电极容量, 使电极性能恶化。

具有电化学活性的纳米颗粒与石墨烯组成的复合电极有助于避免石墨烯发生再次聚集,并且有望实现高的比容量, 改进电池的循环性能,甚至倍率性能。硅具有高达4000毫安时/克以上的比容量,一直以来都吸引着人们尝试用硅作为负极材料,但其在充放电过程中的体积变化( 可膨胀高达400% ) 使得硅负极极易发生结构破坏。

为解决这一问题, 将硅材料纳米化处理是一个可能的解决途径,但同时这也会带来电极导电性降低等一系列问题。在纳米硅颗粒表面采用石墨烯包覆是有益的尝试。如最近的结果显示石墨烯包覆纳米硅负极有高达2500-3000毫安时/cm3 的体积容量, 远高于现有的商业石墨负极, 制备成18650圆柱电池时可实现972瓦时/升的初始体积能量密度以及200次循环后的700瓦时/升, 这是商业圆柱电池的1.5倍。

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