将石墨烯添加到硅电极中可能会使锂离子电池的寿命延长一倍

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WMG在华威大学进行的一项新研究表明,采用硅替代锂离子电池阳极中的石墨,采用石墨烯梁加强阳极结构。该团队预计,通过延长电极的使用寿命,可以使可充电锂离子电池的寿命延长一倍以上,并且还可以增加这种电池的容量。

FLG片有助于改善锂离子电池的图像

研究人员和制造商一直在寻找一种用硅替代硅中石墨的方法,因为它是一种富含石墨的重量能量密度十倍的元素。然而,硅具有若干性能问题,迄今为止限制了这种使用。由于其在锂化时的体积膨胀,硅颗粒可以以阻碍进一步充电 - 放电效率的方式电化学聚集。当硅反复充电时,硅本身没有足够的弹性来应对锂化应变,导致阳极复合微结构的破裂和快速降解。这有助于容量衰减,以及阴极中发生的降解事件。

已经采取了许多研究途径来克服这些问题。例如,使用具有微米级石墨烯的纳米尺寸/结构化硅颗粒,这是不令人满意的。其他掺入材料的方法被认为是不切实际或难以扩大规模。然而,这项新的研究已经发现并测试了一种新的硅阳极混合物和一种化学改性石墨烯,可以解决这些问题并创造可行的硅阳极锂离子电池。这种方法可以在工业规模上制造,而不需要采用硅的纳米尺寸及其相关问题。

研究人员创造了阳极,它是60%微硅颗粒,16%FLG,14%钠/聚丙烯酸和10%碳添加剂的混合物,然后检测了100多种性能(以及材料结构的变化)充放电循环。

阳极图像中FLG和硅的横截面

该团队表示“FLG的薄片在整个阳极中混合,起到了一组强大但相对有弹性的大梁的作用。这些FLG薄片增加了材料的弹性和拉伸性能,大大减少了锂化过程中硅的物理膨胀所造成的损害。石墨烯增强了阳极的长程导电性,并在结构稳定的复合材料中保持低电阻。

“更重要的是,这些FLG薄片在保持硅颗粒之间的分离程度方面也非常有效。增加了硅颗粒彼此电化学焊接的可能性。这种增加的聚集作用逐渐减少并限制电解质进入所有颗粒在电池中阻碍锂离子的有效扩散,这当然会降低电池的寿命和功率输出.WWG大学测试的混合物中FLG的存在使得研究人员假设这种现象在减轻电化学硅方面非常有效这得到了系统调查的支持“

研究团队已经开始进一步开展这项技术的工作,其中包括进一步的研究和研究,作为由Varta Micro-innovations领导的石墨烯矛头两年项目的一部分,Warwick大学的WMG是剑桥大学的合作伙伴,CIC ,Lithops和IIT(意大利理工学院)。该项目的主要目标是推进硅/石墨烯复合材料的工业化前生产,以及随后加工成锂离子电池,用于高能量和高功率应用。作为该项目的一部分,Warwick的WMG将优化电极研究,放大和优化锂离子电池的袋式电池制造。


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