新的石墨烯空氣電極可提升鋰電池容量

2023-12-08 05:46:07 1

    泡泡網電源機箱頻道11月15日 鋰離子電池已廣泛用於許多電子設備，在我們日常生活中很重要。然而，二十年來，穩步提高10-15%之後，鋰離子電池的能量密度目前已接近其理論極限，制約它能量的，就是這些電池使用的陰極和陽極材料。因此，近年來，全球都積極追求下一代能源儲存系統。

    有一種這樣的系統就是金屬/空氣電池，它具有高得多規格能量，勝過現有的大多數原電池和充電電池。

    功能性石墨烯片結構示意圖(上圖A)，具有理想的雙峰多孔結構(上圖B)，這非常有利於鋰氧電池運行。(上圖C)鋰氧電池的放電曲線採用FGS(C / O = 14)作為空氣電極(PO2 = 2 ATM)。

    「金屬/空氣電池是獨特的，因為正極活性材料不是存儲在電池中，」張基廣(Ji-Guang Zhang)博士說，他是西北太平洋國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory)轉型材料科學項目的研究員。「相反，環境中的氧氣被還原，在空氣電極內的催化表面，形成一種氧物化或過氧化氫離子(peroxide ion)，進一步與電解液中的陽離子(cationic)成分反應。Li/O2偶特別有吸引力，因為它可能具有最高的規格能量，在所有已知的電化學偶中都是這樣。」

    在迄今探討的各種電化學儲能系統中，鋰空氣電池最有前途的一種技術，理論能量密度接近十倍於傳統的鋰離子電池。這是因為鋰金屬作為陽極，容量十倍於傳統石墨陽極，而氧氣作為鋰空氣電池的正極，可從環境中自由吸收，這就顯著減少了電池重量和成本。

    為了用於實用設備如電動汽車，研究人員期望，鋰-空氣電池達到約800瓦時/千克的能量密度，這就三倍於非常先進的鋰離子電池。因此，鋰-空氣電池有極大潛力，可進行許多應用，這就要求能量儲存系統要超越鋰離子電池，如遠程電動汽車，每次充電可以行駛500多公裡。

    報導他們的成果，是在2011年10月10日《納米快報》(Nano Letters)在線版，題目是《分層多孔石墨烯用作鋰空氣電池電極》(Hierarchically Porous Graphene as a Lithium-Air Battery Electrode)，張基廣和他在西北太平洋國家實驗室的小組證明，一種新的空氣電極，包含不尋常的分層排列功能化石墨烯薄片(無催化劑)，可帶來極高的鋰氧電池容量，就是15000毫安時/克，這是這一領域有史以來報導的最高值。

    這種鋰-空氣電池的性能受許多因素影響，如電解質成分，宏觀結構的空氣電極，微觀直到納米結構的含碳材料。反應產物(如Li2O2)沉澱在含碳電極上，最終會阻塞氧氣通道，限制鋰-空氣電池的容量。

    太平洋西北國家實驗室小組最近的工作，最大限度地減輕了空氣電極阻塞問題，顯著提高了的容量。

    「以前的工作使用介孔炭或石墨烯薄片，或澆鑄成一種堆疊式二維結構，這就限制了它的可用容量，」張基廣說。「我們的工作首次展示了一種自我組裝的、雙峰石墨烯結構，既有微米大小的開放孔隙，可加快氧氣擴散，也有大量納米孔隙(2-50納米)，可催化Li-O2反應，同時防止過快增長的放電產物阻塞化學通道。」

    此外，研究表明，石墨烯的缺陷和功能組，有利於形成孤立的納米尺寸的Li2O2顆粒，有助於防止空氣電極中的空氣阻塞。成片石墨烯的分層有序多孔結構，可進行實際應用，促進使用這種結構的大多數石墨薄片。

    製備空氣電極採用功能化石墨烯薄片時，這種功能化石墨烯薄片首先要分散在微乳溶液中，這種溶液也包含電極粘結劑材料。經澆鑄並乾燥後，非常不尋常的形態就會製成。

    「令人驚訝的是，這種功能化的石墨烯薄片聚合成鬆散堆積的「破蛋」結構，留下很大的相互連接的隧道，一直穿進整個電極深處，」張基廣說。「這些隧道作用就像眾多的動脈，不斷供應氧氣進入電極內部，在放電過程中就是這樣。更重要的是，這種複雜的孔隙結構在電解液滲透後仍然保留下來，不像測試過的其他多孔碳材料。」

    他們用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察「碎蛋」的「殼」，研究人員發現，這些「殼」包含許多較小的連續納米孔，連通大隧道。張基廣指出，這種獨特的形態是一種理想的設計，可用於空氣電極。「在放電過程中，強大的大型隧道可以作為「高速公路」，供應氧氣進入空氣電極內部，同時，壁上的小孔都是出口，提供三相(固態-液態-氣態)區域，進行氧氣還原。」

    一些障礙仍然需要克服，之後這種電池系統才可以大規模應用。主要障礙包括：放電速度低;電解質穩定性和鋰-空氣電池的可逆性;需要氧氣選擇性膜，以減輕容量退化，這種退化源自水分滲透;需要防止鋰枝晶(dendrite)生長，以延長循環壽命。（轉自中國電池網）■