登录注册
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
我要投稿
锂离子电池是广泛应用于便携式电子器件、电动汽车和大规模电网领域的新一代储能器件。随着用户便携性要求的提高和使用空间的限制,即在尽量小的体积内储存尽量高的容量,高的体积能量密度逐渐成为锂离子电池至关重要的性能指标;但体积能量密度在当今锂离子电池的研究中尚未得到应有的重视。其中,在锂离子电池负极中,当今商用的石墨材料理论比容量有限, 而在以锡、硅为代表,有望取代石墨的非碳电极材料研究中,更多地在追求高的质量比容量,很少着力于体积比容量的提高。实际上,锡、硅等非碳负极材料不仅具备高的质量比容量,也具有较高的密度,因此在体积比容量方面同样具有潜在的巨大优势。但是,非碳电极材料在嵌锂脱锂过程中会发生巨大的体积变化,最终造成电极粉化,容量衰减。因此,相比于高压实的石墨负极材料,具有巨大体积膨胀的非碳负极材料在现今研究中尚未很好地发挥出体积性能优势。
碳纳米材料构建的碳笼结构被认为是解决非碳负极材料嵌锂时巨大体积膨胀问题的主要手段。在锡、硅等非碳负极中引入碳材料不仅能够提高材料导电性,而且作为支撑骨架可以预留空间来缓冲非碳材料充放电过程中的体积变化,从而使非碳电极的质量比容量得到了很大的提高。但是碳纳米材料本身的容量和密度较低,而且在碳材料结构设计常常引入过多的预留空间,大大降低了碳-非碳复合材料的密度,这些都极大限制了锂离子电池负极体积性能的发挥。
近日,天津大学化工学院杨全红教授研究团队联合清华大学、国家纳米中心和日本国立材料研究所的合作者在高体积能量密度锂离子电池负极材料设计方面取得突破,在Nature Communications上发表了题为“Caging tin oxide in three-dimensional graphene networks for superior volumetric lithium storage”的文章。该工作基于石墨烯液相、毛细组装,发明了对致密多孔碳笼精确定制的硫模板技术。充分利用硫流动性、可变形、易去除(flowable、deformable、removable)的特征,实现了对石墨烯碳笼尺寸的精确调控。硫作为一种可流动的体积模板,能有效包覆非碳颗粒;同时,与水凝胶毛细收缩相结合,能够为非碳材料精确预留空间,最终为非碳活性颗粒完成石墨烯碳外衣的定制,从而在有效缓冲非碳活性颗粒嵌锂巨大体积膨胀的基础上,作为锂离子电池负极表现出优异的体积性能。
图1 预留空间提高碳-非碳负极体积比容量的设计策略。(a)预留空间不足,(b)预留空间合适,(c)预留空间过剩的碳笼结构。
在碳-非碳复合结构的构建过程中,引入过多的预留空间,将导致电极材料密度降低,从而难于发挥出非碳负极体积比容量的优势;为了提高电极材料的密度,将非碳材料引入通过液相组装和毛细蒸发技术获得的石墨烯三维致密网络中,可以大幅度提高复合材料密度,从而有望提高电极材料的体积比容量;但实际上,因为致密网络中预留空间的不足,在非碳材料嵌锂脱锂巨大体积变化的过程中会发生整个碳网络的破裂,导致电极的粉化,造成容量的衰减。因此,为非碳材料的体积膨胀精确预留缓冲空间,构建大小合身的石墨烯笼结构,是提高碳-非碳电极材料密度,发挥非碳材料体积比容量优势的有效方法。
图2 硫模板的特点。(a-c)硫与SnO2的相间分布状态;(d)XPS表征硫与SnO2间的相互作用;(e)HRTEM表征硫对SnO2的紧密包裹;(f)拥有合适预留空间的碳笼结构对SnO2颗粒的限域。
在目前引入预留空间的方法中,主要采用牺牲性模板如Si模板,Ni模板、PS球模板,盐模板等,这些模板无论是原位还是非原位引入,最终都很难同非碳组分很好地结合且大多是形状模板,引入的空隙为模板形状导向,因此很难获得合适的预留空间。硫模板法的提出,是在三维石墨烯致密网络中,不仅利用其易去除的优势,更为重要的是利用硫如同“变形金刚”一样的可塑形的特点,在碳笼结构内部实现对非碳活性颗粒如SnO2纳米颗粒的紧密包覆。与传统的形状模板相比,硫模板的最大优势就是能发挥体积模板的作用,使紧致的石墨烯笼结构能够提供适形且大小合适的预留空间,最终完成对活性SnO2颗粒的“量体裁衣”。SnO2作为模型材料,能够很好的诠释可塑形硫模板的方法学,同时该方法已推广至硅及其他非碳电极,对于丰富非碳电极设计思想具有重要的启发意义。
图3 硫模板法对预留空间的精确调控。(a-f)SEM表征硫模板使用量的增加,三维石墨烯网络结构的变化;(g-h)氮气吸脱附表征石墨烯网络的孔隙变化;(i-j)二氧化锡/石墨烯复合结构内部预留空间和密度的变化。
通过调控硫模板的使用量,可以精确控制三维石墨烯网络结构。实验结果显示,随着硫模板量的增加,三维石墨烯网络结构越来越膨胀,逐渐从微孔结构向介孔结构过渡,甚至出现一定的大孔。随着孔隙率的增加,石墨烯网络内部的预留空间也就逐渐增加,同时意味着石墨烯笼内部拥有更多的空间来缓冲SnO2颗粒的体积膨胀。当硫模板用量为21%时候,预留空间为SnO2体积的2.68倍,恰好可以满足SnO2的完全体积膨胀;更为重要的是,整个材料同时保持2.18 g cm-3的密度,从而为SnO2颗粒构筑了内部缓冲空间充分但最小的碳笼结构。
图4 二氧化锡/石墨烯复合电极材料的电化学性能表征。(a)二氧化锡/石墨烯复合材料的CV曲线;(b)循环130圈后,不同预留空间的二氧化锡/石墨烯复合材料质量比容量的呈现梯度增加趋势;(c)倍率性能;(d-f)循环性能及体积性能与近年来报道的重要的锡碳、硅碳负极材料体积比容量成果的比较。
电化学表征显示,随着石墨烯笼内部预留空间的增加,二氧化锡/石墨烯复合电极材料的质量比容量逐渐提高,当预留空间超过260%之后,达到峰值,不再随预留空间的增加而进一步增加,证明硫模板使用量为21%时,可以引入合适的预留空间来保证二氧化锡容量最大程度的发挥。合适的预留空间不仅能够保证快速的锂离子传输,从而在充放电速率加快的条件下,二氧化锡/石墨烯复合电极材料依然可以贡献较高的质量比容量,同时能够在多次充放电循环中保证整个电极材料结构的稳定,始终保证稳定的容量输出(循环300圈,依然可以贡献974 mAh g-1的质量比容量)。更为重要的是,因为二氧化锡/石墨烯复合电极材料的高密度,整个电极材料可以贡献极高的体积比容量(2123 mAh cm-3),该值为目前锡碳、硅碳等复合电极材料体积比容量的最高值之一;而基于整个电极也可以贡献1075 mAh cm-3的体积比容量。
图5 原位透射电镜表征。原位条件下观察(a-h)预留空间合适,(i-j)预留空间不足,(k-l)预留空间过剩的碳笼结构对SnO2颗粒嵌锂膨胀的缓冲效果。
二氧化锡/石墨烯复合材料与锂在原位透射电镜中组成微电池可以有效观察电化学反应中石墨烯笼结构对SnO2颗粒体积膨胀的缓冲。结果显示,在合适预留空间的复合材料内部,SnO2颗粒在石墨烯笼中发生嵌锂膨胀,中间生成Sn单质并完全嵌锂生成非晶态的Li-Sn合金。整个嵌锂过程中,SnO2逐渐占满石墨烯笼内部的预留空间,完成了对预留空间的完全利用。而预留空间不足的复合材料,因为缓冲空间的不足以及SnO2分布不均匀,造成严重的石墨烯笼破裂;预留空间过多则导致SnO2在完全体积膨胀之后,发生空间的过剩,从而降低了电极材料的体积比容量。
硫模板法可以实现对致密石墨烯碳笼结构的精确定制,通过预留合适的空间,在保证电极材料高密度的同时,能够充分缓冲非碳颗粒的体积膨胀,从而实现非碳负极体积性能优势的最大程度的发挥。这种石墨烯“量体裁衣”的设计思想不仅可以很好的应用在解决锂离子电池负极材料体积膨胀问题上,同时可以拓展为普适化的下一代高能锂离子电池和锂硫电池、锂空气电池等电极材料的构建策略。
Junwei Han, Debin Kong, Wei Lv, Dai-Ming Tang, Daliang Han, Chao Zhang, Donghai Liu, Zhichang Xiao, Xinghao Zhang, Jing Xiao, Xinzi He, Feng-Chun Hsia, Chen Zhang, Ying Tao, Dmitri Golberg, Feiyu Kang, Linjie Zhi, Quan-Hong Yang, Caging tin oxide in three-dimensional graphene networks for superior volumetric lithium storage, Nat. Commun. 9, 402 (2018), DOI:10.1038/s41467-017-02808-2
相关阅读:
特别声明:北极星转载其他网站内容,出于传递更多信息而非盈利之目的,同时并不代表赞成其观点或证实其描述,内容仅供参考。版权归原作者所有,若有侵权,请联系我们删除。
凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创,转载需获授权。
北极星储能网获悉,3月12日,厦门市工业和信息化局公开关于市政协十四届三次会议第20241034号提案办理情况答复的函。文件显示,近年来,厦门市围绕锂离子电池及相关产业积极谋划拓展产业布局,引培并重,不断推进制造业转型升级和先进制造业提质增效,形成了海辰储能、中创新航等电芯企业以及厦钨新能
据武宁发布消息,3月14日江西省九江市武宁县与江西程疆新能源有限公司(简称:程疆新能源)举行六期项目签约协议。据悉,程疆新能源六期项目将在县工业园内投资5亿元人民币,主要从事21700/32650大型号圆柱型动力锂离子电池生产。项目竣工达产达标后,日产约50万只21700/32650大型号圆柱型动力锂离子电
据常熟市人民政府新闻办公室官微消息,3月15日,苏州新中能源科技有限公司锂离子电池工厂二期项目在常熟经开区开工奠基。此次开工的新中能源锂离子电池二期项目计划总投资1亿美元,利用现有厂区空地,建设约35000平方米生产厂房,新增年产2GWH锂离子电池,投产后年产值将达15亿元人民币。
北极星储能网获悉,瑞泰新材3月5日在回复投资者提问时表示,公司主要产品锂离子电池材料的最重要应用为新能源汽车电池和锂离子储能电池,这两种应用分别属于国家发展和改革委员会《绿色产业指导目录(2023年版)》(征求意见稿)中“节能降碳产业”和“清洁能源产业”的相关范畴;公司锂离子电池电解液
据工信部网站,2023年,我国锂离子电池产业延续增长态势,根据锂电池行业规范公告企业信息和行业协会测算,全国锂电池总产量超过940GWh,同比增长25%,行业总产值超过1.4万亿元。全年锂电池行业产品价格出现明显下降,1-12月电芯、电池级锂盐价格降幅分别超过50%、70%。详情如下:2023年全国锂离子电池
北极星储能网讯,近日,重庆市发改委发布《关于重庆瑞浦兰钧能源动力与储能锂离子电池及系统项目的节能审查意见》。以下为原文内容:关于重庆瑞浦兰钧能源动力与储能锂离子电池及系统项目的节能审查意见重庆瑞浦兰钧能源有限公司:你单位《关于报请审查重庆瑞浦兰钧能源动力与储能锂离子电池及系统项目
北极星储能网获悉,2月6日,天津市发展改革委关于印发天津市2024年重点建设、重点储备项目安排意见的通知。文件提出,吉星新能源动力电池及储能电池生产项目、荣盛盟固利扩产2.5GWh锂离子动力电池项目、贝特瑞年产6万吨锂离子电池负极材料项目等电池项目。原文如下:市发展改革委关于印发天津市2024年
1月29日,为落实《质量强国建设纲要》要求,加强对关系人民群众身体健康和生命财产安全、公共安全、生态环境安全的重点产品质量安全监管,市场监管总局制定了《全国重点工业产品质量安全监管目录(2024年版)》(以下简称《目录(2024年版)》)。附件信息显示,该目录包括254种产品,以及对应的产品生
北极星储能网获悉,1月29日,高邮周山共享储能项目锂离子电池储能系统采购项目招标公告发布。项目位于江苏省扬州市高邮市,招标人为高邮聚合光伏发电有限公司,招标内容为100MW/200MWh锂离子电池储能系统。
近日,联投湖北工建三公司承建的全省首家锂离子电池负极材料一体化项目——斯诺年产10万吨新能源动力电池负极材料一体化项目低温炭化车间成功进行点火试车,标志着该项目朝着建成投产目标又近一步。斯诺年产10万吨新能源动力电池负极材料一体化项目是随州市、随州高新区招商引资的新能源产业项目,总投
北极星储能网获悉,2024年1月25日,国家能源局举行新闻发布会,介绍2023年我国新型储能发展情况、全国统一电力市场体系建设情况、国际清洁能源日设立背景及我国对全球清洁能源发展贡献,并回答记者提问。能源节约和科技装备司副司长边广琦就2023年我国新型储能发展情况进行了介绍。能源节约和科技装备
北极星太阳能光伏网获悉,10月12日,大同新成新材料股份有限公司与西北工业大学、西安科技大学合作共建新型光伏材料联合实验室及柔性钙钛矿太阳能电池工艺及设备开发项目签约揭牌仪式举行。大同新成新材料股份有限公司立足企业创新发展,依托产业优势、专业人才和设备优势,与西北工业大学材料学院合作
北极星储能网获悉,8月18日,福建龙岩永定区石墨烯动力(储能)锂离子电池生产项目签约。据悉,该项目总投资18亿,由深圳宁迪新能源有限公司投建,项目年产4GWh动力电池及储能电池,分两期建设。约定一期项目投产后3年内达产,实现年产值8亿元以上、年纳税5000万元以上。
5月11日,镇江500千伏访仙变电站室外5号主变500千伏侧5042开关汇控柜,喷涂了新型纳米陶瓷散热材料,柜体温度半小时内从26.5℃降到了20.8℃。此次采用的纳米远红外陶瓷材料与高品质石墨烯组合“降温服”,可以大幅提升热管理效率,在不需要外部任何能源、不占用额外体积、不增加设备的情况下,以“零能
“目前,单层石墨烯的市场公价是每克近千元,通过我们的特殊提取技术,可以使成本下降至目前的百分之一。”日前,在参观北京旭华时代科技有限公司(以下简称“北京旭华”)研发车间时,该公司董事长崔旭指着玻璃容器内的黑棕色液体向记者如此介绍。该公司曲面石墨烯已量产下线,当前产量达20吨;预计年
近日,工业和信息化部批复组建国家石墨烯创新中心、国家虚拟现实创新中心、国家超高清视频创新中心等3家国家制造业创新中心。国家石墨烯创新中心依托宁波石墨烯创新中心有限公司组建,建设地位于浙江宁波,股东单位充分汇聚了浙江、江苏、广东等14个省份的行业创新力量。国家石墨烯创新中心面向石墨烯
近日,工业和信息化部批复组建国家石墨烯创新中心、国家虚拟现实创新中心、国家超高清视频创新中心等3家国家制造业创新中心。国家石墨烯创新中心依托宁波石墨烯创新中心有限公司组建,建设地位于浙江宁波,股东单位充分汇聚了浙江、江苏、广东等14个省份的行业创新力量。创新中心面向石墨烯产业发展的
由位于柏林的全球能源互联网欧洲研究院(简称欧洲研究院)重点研发的石墨烯改性电工材料新技术此前成功应用于高压断路器新型电触头制备。近日,基于这种新型电触头部件的252KV/63KA敞开式柱上断路器在宁夏石嘴山步桥变电站中正式投入运行。据介绍,这项高端电工材料新技术在世界范围内率先填补了石墨烯改
6月24日由国网联研院、中国电科院、国网宁夏电力、平高集团联合研发的252千伏石墨烯断路器在石嘴山电网220千伏步桥变电站成功挂网运行,标志国内首台基于石墨烯改性电触头的252kV/63kASF6敞开柱式断路器在石嘴山电网正式运行。据了解,新型的石墨烯改性电触头表现出优异的耐磨性、导电性、抗熔焊性和抗
4月25日获悉,中国电力科学研究院有限公司完成新型防腐涂料变压器温升模拟实验。实验数据显示,与传统防腐涂层相比,新型防腐涂料可延长变压器绝缘纸服役寿命,显著提升变压器等输变电设备环保性能,还克服了常规涂料添加高导热填料后防腐蚀性能下降的难题。由于传统防腐涂层热导率远低于外壳金属材料
北极星储能网获悉,1月17日,湖北房县举行2022年招商引资“开门红”签约仪式,14个项目集中签约,其中两个储能生产项目,总投资30.5亿。湖北世润新材料有限公司投资5千万元建设石墨烯项目、湖北钒界新能源有限公司投资30亿元建设钒储能项目、
为了寻求可持续的能源储存,瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员提出了一个新的概念,将石墨烯应用到可持续的钠离子电池中,从而让容量比传统钠离子电池增长了十倍。
全球性的资源保护下钠电池及其他新的电池技术或将蹚出一条新路中国是锂电消费大国,相对来讲,中国本身是一个富锂大国,但中国的盐湖锂资源及其品位要弱于南美三国,大规模开采及产能提升的爬坡周期较长,难以实现经济且大规模开采,预计国内市场海外锂占比将长期维持在85%-90%之间。去年来虽然锂价“
百川股份公告,近日,公司孙公司宁夏百川新材料有限公司实施的“年产1.5万吨石墨负极材料(1万吨石墨化)项目”已完成竣工验收,正式投产;“年产2万吨磷酸铁、6000吨磷酸铁锂产品项目”、“锂电池回收利用项目”已完成相关部门验收手续,进入生产阶段。子公司宁夏百川科技有限公司实施的“正异丁醛及
硅宝科技3月18日在投资者互动平台表示,公司已建成1000吨/年硅碳负极材料中试生产线,产品在动力电池厂客户送样测评中,产品性能优异,得到客户好评,目前正在根据客户需求进行批量供货。
北极星储能网讯,3月16日下午,大同市新荣区人民政府、武汉天钠科技有限公司与和阳光新能源开发股份有限公司钠电池材料项目签约仪式在新荣经济技术开发区举行。新荣区委副书记、区政府代区长、新荣经开区党工委书记郭立东,武汉天钠科技有限公司董事长、总经理韩建涛,阳光新能源开发股份有限公司华中
北极星储能网讯,3月17日,尚太科技发布投资者关系活动记录表显示,公司目前正在积极寻找优质的外协厂商合作,为第二季度开始委外石墨化加工做准备。1、请介绍一下公司2023年四季度和2024年一季度的排产情况、库存、出货情况?答:原则上,公司根据市场需求情况及备货政策适时动态调整公司的产能利用率
北极星储能网获悉,尚纬股份3月8日在回复投资者提问时表示,公司动力储能电池负极材料一体化首期4万吨负极材料暨配套基础设施项目正在积极稳步推进中,具体项目建设进展情况请关注公司定期报告相关内容。公司严格按照相关法律法规及时履行信息披露义务。
北极星储能网获悉,3月4日,在邛崃市的四川紫宸科技项目建设现场,占地面积2000多亩的土地上一座座白色的标准化厂房已经拔地而起。四川紫宸科技项目总投资115亿元,目前是全球新能源锂电池负极材料开工建设面积最大的产业基地,完全建成后将实现年产28万吨负极材料成品。目前,该项目一期10万吨负极材
北极星储能网获悉,贝特瑞3月1日披露的投资者关系活动记录表显示,截至目前,负极材料领域,公司已投产产能为49.5万吨/年;高镍三元材料领域,公司已投产产能为6.3万吨/年。2024年,印尼年产8万吨负极材料项目正在建设中,高镍三元材料整体产能也有望增加,同时,山西瑞君和云南贝特瑞石墨化产能也会陆
2月29日,芦山县年产6万吨锂电池负极材料高温提纯生产线建设项目签约仪式举行。县委书记杨俊出席仪式并致辞。县委副书记、县长岑永杰,县政协主席朱文华,县委副书记陈强,福鞍控股有限公司董事长吕世平,福鞍控股有限公司总经理、中科(辽宁)实业有限公司总经理张轶妍出席仪式。
北极星风力发电网讯,近日,中科电气发布《关于控股子公司获得国际客户定点的公告》。根据公告显示,湖南中科电气股份有限公司控股子公司湖南中科星城石墨有限公司于近日与海外某国际知名车企旗下电池子公司签订《NominationAgreement》(《定点协议》,限于保密要求,无法披露国客户名称及协议具体条
2月17日,华盛锂电江阴项目-华盛联赢锂电池负极材料项目开工奠基仪式圆满举行。华盛联赢锂电池负极材料项目总投资12.6亿元,投资方为江苏华盛锂电材料股份有限公司,是一家专注于锂离子电池电解液添加剂的研发、生产和销售的高新技术企业。此次开工的华盛锂电项目将购置碳化系统、喷雾干燥设备等设备35
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
姓名: | |
性别: | |
出生日期: | |
邮箱: | |
所在地区: | |
行业类别: | |
工作经验: | |
学历: | |
公司名称: | |
任职岗位: |
我们将会第一时间为您推送相关内容!