石墨烯海绵有助于锂硫电池发挥新的潜力

原创 2020-02-16 16:37  阅读

  为了满足电力未来的需求,新电池技术将至关重要。一种选择是锂硫电池,其理论能量密度是锂离子电池的五倍以上。瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员最近公布了这种类型电池的一个有希望的突破,在石墨烯海绵的帮助下使用阴极电解液。

  研究人员的新想法是一种多孔的海绵状气凝胶,由还原的氧化石墨烯制成,可作为电池中的独立电极,可以更好,更高地利用硫。

  传统电池由四部分组成。首先,有两个涂有活性物质的支撑电极,它们被称为阳极和阴极。在它们之间是电解质,通常是液体,允许离子来回转移。第四组分是隔板,其用作物理屏障,防止两个电极之间的接触,同时仍允许离子的转移。

  研究人员之前曾尝试将阴极和电解质合并为一种液体,即所谓的“阴极电解液”。这个概念可以帮助减轻电池的重量,并提供更快的充电和更好的电源能力。现在,随着石墨烯气凝胶的发展,这个概念已经证明是可行的,提供了一些非常有希望的结果。

  “你拿气凝胶,这是一个很长的圆柱体,然后你切片 - 几乎就像一个萨拉米香肠。你拿出那片,然后压缩它,以适应电池,”物理系的Carmen Cavallo说。查尔莫斯和这项研究的首席研究员。然后,将富含硫的溶液 - 阴极电解液 - 添加到电池中。高度多孔的气凝胶充当支撑物,像海绵一样吸收溶液。

  “石墨烯气凝胶的多孔结构是关键。它吸收了大量的阴极电解液,为您提供足够高的硫负荷,使阴极电解液的概念变得有价值。这种半液体阴极电解液在这里非常重要。它允许硫磺来回循环而没有任何损失。它不会因溶解而丢失 - 因为它已经溶解在阴极液中,“Carmen Cavallo说。

  一些阴极电解质溶液也应用于隔板,以使其发挥其电解质作用。这也最大化了电池的硫含量。

  目前使用的大多数电池,从手机到电动汽车,都是锂离子电池。但是这种类型的电池已经接近极限,因此新的化学成分对于具有更高功率要求的应用变得至关重要。锂硫电池具有几个优点,包括更高的能量密度。目前市场上最好的锂离子电池每公斤运行约300瓦时,理论最大值约为350.同时,锂硫电池的理论能量密度约为每公斤1000-1500瓦时。

  “此外,硫磺价格便宜,高度丰富,环境友好。锂硫电池还具有不需要含有任何对环境有害的氟的优点,这在锂离子电池中很常见,”Chalmers教授Aleksandar Matic说。物理系,负责该论文背后的研究小组。

  到目前为止,锂硫电池的问题一直是它们的不稳定性,并因此导致低循环寿命。当前版本快速退化并且寿命有限且循环次数不切实际。但在测试他们的新原型时,Chalmers研究人员证明在350次循环后容量保持率为85%。

  新设计避免了锂硫电池劣化的两个主要问题 - 一个是硫溶解到电解质中并且丢失,另一个是穿梭效应,其中硫分子从阴极迁移到阳极。在这种设计中,可以大大减少这些不希望的问题。

  阅读“电源杂志”上发表的文章“一种独立的还原氧化石墨烯气凝胶作为无氟Li2S8阴极电解液Li-S电池中的支撑电极”。

  然而,研究人员指出,在技术实现全部市场潜力之前,还有很长的路要走。“由于这些电池是以大多数普通电池的替代方式生产的,因此需要开发新的制造工艺以使其具有商业可行性,”Aleksandar Matic说。

  研究人员在Chalmers材料分析实验室(CMAL)研究了石墨烯气凝胶的结构。CMAL拥有先进的材料研究工具。该实验室正式属于物理系,但对大学,研究所和工业界的所有研究人员开放。本研究中的实验是使用先进的高分辨率电子显微镜进行的。

  最近进行了大约6600万瑞典克朗的重大投资,以进一步推动CMAL走向材料研究的最前沿。

  投资包括购买单色和双像差校正(CETCOR图像和ASCOR探头Cs校正器)TEM JEOLARM(200 kV)40-200,配备场发射枪(FEG)。这是第一篇使用这种全新显微镜发表的论文,用于研究气凝胶的结构。

  新型显微镜的重量与成年大象一样多,将于5月15日在Chalmers举行的仪式上正式落成。

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