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使用皱巴巴的石墨烯球制作更好的电池

2019-03-09 09:12:21
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锂金属电池有可能颠覆电池行业。凭借理论上自身使用的超高容量锂金属,这种新型电池可以为个人设备和汽车提供动力。

“在目前的电池中,锂通常原子分布在阳极中的另一种材料,如石墨或硅,”西北大学的嘉兴黄解释说。“但是使用额外的材料'会稀释'电池的性能。锂已经是金属,所以为什么不单独使用锂?”

答案是科学家们多年来一直试图克服的研究挑战。由于锂在电池中充电和放电,它开始生长枝晶和细丝,“这会引起许多问题,”Huang说。“充其量,它会导致电池性能迅速下降。最坏的情况是,它会导致电池短路甚至着火。”

斗地主手机版绕过锂破坏性枝晶的一种当前解决方案是使用多孔支架,例如由碳材料制成的支架,锂优先沉积在支架上。然后当电池充电时,锂可以沿着支架表面沉积,避免枝晶生长。然而,这引入了一个新问题。随着电池循环,锂沉积在多孔载体上并随后从多孔载体上溶解,其体积显着波动。该体积波动引起的应力可能破坏多孔载体。

黄和他的合作者通过采取不同的方法解决了这个问题 - 甚至使电池重量更轻,能够容纳更多的锂。

解决方案在于由皱折的石墨烯球制成的支架,由于其纸球形状,其可以容易地堆叠以形成多孔支架。它们不仅可以防止枝晶生长,还可以承受锂的波动量所带来的压力。这项研究发表在1月份Joule杂志的封面上。

西北麦考密克工程学院材料科学与工程学教授黄说:“制造一种能够保持高压力的一般理念是让它变得如此坚固,以至于它不会破碎。” “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使其牢不可破,而是由松散堆叠的颗粒制成,可以随时重新安装。”

六年前,黄发现了皱巴巴的石墨烯球 - 一种类似于皱巴巴的纸球的新型超细颗粒。他通过将石墨烯基片的分散体雾化成微小的水滴来制造颗粒。当水滴蒸发时,它们产生毛细作用力,将薄片揉成小型纸球。

在Huang的团队电池中,皱折的石墨烯支架可以适应锂在阳极和阴极之间循环时的波动。当锂沉积时,皱巴巴的球可以移开,然后在锂耗尽时容易地组装回来。由于微型纸球是导电的并且允许锂离子沿其表面快速流动,因此该支架为锂形成连续导电的动态多孔网络。

“紧密堆积的皱巴巴的石墨烯球的运作方式就像一个高度均匀,连续的固体,”该论文的共同通讯作者,中国天津大学化学工程教授Jiayan Luo说。“我们还发现,皱巴巴的石墨烯球不会形成簇状,而是分布均匀。”

斗地主手机版罗先生曾任黄先生,2013年获得材料科学与工程博士学位。现任天津大学教授,研究员,罗继续与黄合作。

与使用石墨作为阳极主体材料的电池相比,Huang的解决方案重量更轻,可以在循环过程中稳定更高的锂负荷。虽然典型的电池封装了几十微米厚的锂电池,但Huang的电池可以保持150微米高的锂电池。

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