在硅電極上添加石墨烯梁可以使鋰電池的壽命延長一倍

沃里克大學(xué)由WMG領(lǐng)導(dǎo)的新研究發(fā)現(xiàn)了一種用硅代替鋰離子電池陽極中石墨的有效方法，即用石墨烯梁增強(qiáng)陽極的結(jié)構(gòu)。 這可能會使可充電鋰離子電池的壽命增加一倍以上，并增加這些電池的容量。

自索尼公司最初推出鋰離子電池以來，石墨一直是陽極的默認(rèn)選擇活性材料，但研究人員和制造商長期以來一直在尋找一種用硅代替石墨的方法，因?yàn)樗且环N豐富的可用元素，其重量能密度是石墨的十倍。 不幸的是，硅還有其他幾個性能問題繼續(xù)限制其商業(yè)開發(fā)。 由于硅顆粒在鋰化過程中的體積膨脹，硅顆粒可以電化學(xué)團(tuán)聚，從而阻礙隨著時間的推移進(jìn)一步的充放電效率。 硅的內(nèi)在彈性也不足以應(yīng)付反復(fù)充電時的鋰化應(yīng)變，導(dǎo)致陽極復(fù)合微觀結(jié)構(gòu)的開裂、粉碎和快速物理降解。 這大大有助于容量衰減，以及發(fā)生在對電極-陰極上的降解事件。 以手機(jī)為例，這就是為什么我們必須為我們的手機(jī)充電更長和更長的時間，這也是為什么他們不承擔(dān)他們的費(fèi)用，只要他們是新的。

許多辦法試圖克服這些問題。 例如，使用微米大小的石墨烯的納米/結(jié)構(gòu)化硅粒子，但這并不令人滿意。 使用納米硅顆粒顯著地增加了活性表面的數(shù)量。 這導(dǎo)致在第一次充電周期中更多的鋰沉積在硅上，形成硅和電解質(zhì)之間的固體電解質(zhì)相間勢壘，從而大大減少鋰的庫存，從而大大降低電池的使用壽命。 這一層也繼續(xù)生長在硅上，因此鋰的損失變得連續(xù)。 其他方法結(jié)合其他材料，如不同尺寸的石墨烯，被認(rèn)為是不切實(shí)際的，然后進(jìn)展到大規(guī)模制造。

然而，由沃里克大學(xué)WMG的Melanie Loveridge博士領(lǐng)導(dǎo)的新研究發(fā)現(xiàn)并測試了一種新的硅陽極混合物和一種化學(xué)修飾的石墨烯形式，它可以解決這些問題，并創(chuàng)造出可行的硅陽極鋰離子電池。 這種方法實(shí)際上可以在工業(yè)規(guī)模上制造，而不需要使用納米硅尺寸及其相關(guān)問題。 這項新的研究剛剛于2018年1月23日星期二在科學(xué)報告中發(fā)表，題為“硅-富層石墨烯(FLG)復(fù)合電極系統(tǒng)的相相關(guān)阻抗研究”。

石墨烯當(dāng)然是礦物石墨的一個單一的、一個原子厚的層（碳的同素體）。 然而，也有可能分離和操縱幾個連接層的石墨烯，使材料研究人員稱為少層石墨烯(FLG)。 以前的研究已經(jīng)測試了FLG與納米硅的使用，但這項新的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)LG也可以顯著地提高更大微米大小的硅粒子在陽極中使用的性能。 因此，這種混合物可以顯著延長鋰離子電池的壽命，并提供更高的功率能力。

研究人員創(chuàng)造了一種由60%的微硅顆粒、16%的FLG、14%的鈉/聚丙烯酸和10%的碳添加劑混合而成的陽極，然后在100次充放電循環(huán)中考察了其性能（以及材料結(jié)構(gòu)的變化）。

這項研究的負(fù)責(zé)人、沃里克大學(xué)WMG高級研究員梅勒妮·洛維里奇博士說：

“FLG的薄片混合在整個陽極上，作用就像一組堅固但相對彈性的梁。 這些片狀的FLG增加了材料的彈性和彈性，大大減少了硅在鋰化過程中物理膨脹引起的損傷。 石墨烯增強(qiáng)了陽極的長程電導(dǎo)率，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的復(fù)合材料中保持低電阻。

更重要的是，這些FLG片也可以證明非常有效地保持硅顆粒之間的分離程度。 每個電池充電周期都增加了硅粒子相互電化學(xué)焊接的機(jī)會。 這種增加的團(tuán)聚越來越減少和限制電解質(zhì)進(jìn)入電池中的所有粒子，并阻礙鋰離子的有效擴(kuò)散，這當(dāng)然會降低電池的壽命和功率輸出。 沃里克WM G大學(xué)測試的混合物中存在FLG，導(dǎo)致研究人員假設(shè)這種現(xiàn)象在減輕電化學(xué)硅熔化方面是非常有效的。 這得到系統(tǒng)調(diào)查的支持“

WMG研究小組已經(jīng)開始進(jìn)一步研究這一技術(shù)進(jìn)步，其中將包括進(jìn)一步研究和研究，作為由Varta微創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)的石墨烯先鋒兩年項目的一部分，Warwick大學(xué)的WMG與劍橋大學(xué)、CIC、Lithops和IIT（意大利理工學(xué)院）是合作伙伴。 該項目的主要目標(biāo)是推動硅/石墨烯復(fù)合材料的工業(yè)化前生產(chǎn)及其隨后加工成鋰離子電池，用于高能和高功率應(yīng)用。 作為該項目的一部分，Warwick的WMG將優(yōu)化電極研究，擴(kuò)大和郵袋電池制造的優(yōu)化鋰離子電池。