包含碳纳米管和石墨烯杂化物的新材料可能会终结锂电池中的枝晶问题

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包含碳纳米管和石墨烯杂化物的新材料能否终结锂电池中的枝晶问题?


锂离子电池的高能量容量已导致它们为从微型移动设备大型卡车的所有设备供电但是,当前的锂离子电池技术正接近极限,人们一直在寻找更好的锂电池。但有一件事情阻碍了:树突。如果莱斯大学科学家的一项新技术能够发挥其潜力,那么它可以解决这个问题,并使锂金属电池的能量达到锂离子电池的三倍。

枝晶是在充电过程中在阳极上形成的微小锂纤维,像皮疹一样散布,直到到达另一个电极并导致电池短路。由于三星等公司对此知之甚少,因此可能导致电池着火甚至爆炸。

负责这项研究的化学家詹姆斯·图尔说:“毫无疑问,锂离子电池已经改变了世界。” “但是它们的性能和获得的性能一样好。手机的电池要等到新技术问世后才能持续使用。”

因此,在科学家们找到解决树枝状晶体问题的方法之前,我们必须寄希望于更高容量,更快充电的电池,以消除焦虑症。这就解释了为什么不存在尝试解决该问题的尝试,从使用凯夫拉尔来减慢树枝状晶体的生长到创建新的电解质(可能导致无阳极电池的发展)都是如此那么,莱斯大学的这项新技术又如何呢?

首先,它可以阻止枝晶生长。它的关键是一种独特的阳极,该阳极由五年前在该大学首次创建的材料制成通过使用共价键结构,它结合了二维石墨烯片和碳纳米管,形成了无缝的三维结构。作为旅游解释回来时,材料首次亮相:

“通过在金属(在本例中为铜)上生长石墨烯,然后从石墨烯生长纳米管,纳米管和金属电极之间的电接触是欧姆性的。这意味着电子没有区别,因为它是唯一的一种无缝材料。”

锂金属涂层石墨烯-纳米管阳极的特写
锂金属涂层石墨烯-纳米管阳极的特写

设想将其用于储能和电子应用(例如超级电容器),直到2014年,共同首席作者Abdul-Rahman Raji尝试使用锂金属和石墨烯-纳米管混合物时,研究人员才发现其有潜力作为枝晶。抑制剂。

拉吉说:“我认为,在分析将锂离子存储在阳极材料中并结合锂钴氧化物阴极的阳极材料中进行的实验结果时,必须在电极上电镀锂金属。” “我们很高兴,因为整个电池的电压曲线非常平坦。那一刻,我们知道发现了一些特别的东西。”

进一步的分析表明,当将锂金属沉积到独立的混合阳极中时,没有树枝状晶体生长,但是它可以在合适的电池中工作吗?

为了测试阳极,研究人员用硫基阴极制造了完整的电池原型,经过500个以上的充放电循环(即,手机两年内的使用时间大致相等)后,它们仍保留了80%的容量。在阳极上未观察到树突的迹象。

如何运作

纳米管森林的低密度和高表面积使锂金属在电池充电时能够均匀地覆盖碳杂化材料。而且,由于在充电和放电周期中有足够的空间让颗粒滑入和滑出,因此它们最终会均匀分布,这完全阻止了树枝状晶体的生长。

根据这项研究,负极材料的锂存储容量为每克3,351毫安时,接近纯锂的理论最大值每克3,860毫安时,是锂离子电池的10倍。而且由于纳米管地毯的密度低,这意味着它能够一直覆盖到基材,并最大限度地利用可用空间。

“进行电池研究的许多人只能制造阳极,因为要完成整个封装要困难得多,” Tour说。“我们必须开发一种基于硫的相应阴极技术,以在第一代系统中容纳这些超高容量锂阳极。我们正在以试点规模生产这些完整的电池,阴极加阳极,并且正在对其进行测试。 ”

该研究发表在ACS Nano上


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