石墨烯制备更高容量锂电池
美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)的研究人员已经创造了一种石墨烯和锡的纳米复合材料,使可再生锂离子电池可高容量储能。把锡夹在石墨烯薄片之间,研究人员就制成了一种新的轻型“三明治”结构,可以提高电池的性能。
“对于电动汽车而言,您需要一种轻巧的电池,可以迅速充电,而且经反复使用后,仍可保持充电容量,”张粤港(YuegangZhang)说,他是伯克利实验室分子铸造部(MolecularFoundry)研究员,在无机纳米结构所(InorganicNanostructuresFacility),领导这项研究。“这里,我们已经展示的,是合理设计的纳米级结构,不需要添加剂或粘结剂就可以运行,可提高电池性能。”
石墨烯是一种单原子厚的“鸡线”晶格状碳原子,具有非凡的电子和机械性能,远远超过硅和其它传统半导体材料。以前的石墨烯研究中,张粤港和他的同事强调了电子设备的应用。
在这项研究中,这个小组组装分层交替的石墨烯和锡,创造了一种纳米复合材料。要创造这种复合材料,一层锡薄膜就要被沉积到石墨烯上。接下来,另一层石墨烯片被转移锡薄膜上。重复此过程,就可制成一种复合材料,然后,在氢气和氩气环境中,把它加热到300摄氏度(572华氏度)。在这一热处理期间,锡薄膜会转化成一系列柱子,增加了锡层的高度。
“从锡薄膜形成这些纳米柱,对于这一系统而言是非常特别的,我们发现,上下层石墨烯之间的距离也随之改变,以适应锡层的高度变化,”纪李文(LiwenJi)说,他是铸造部的博士后研究员。纪李文为主要作者,张粤港为通信作者的一篇论文,报道了这一研究,发布在杂志《能源和环境科学》(EnergyandEnvironmentalScience)上。
在这些新的纳米复合材料中,石墨烯层间高度的变化,有助于电池的电化学循环过程,因为锡的体积变化提高了电极的性能。此外,这个可调节的行为,意味着电池可迅速反复充电,不会退化,这对于电动汽车充电电池而言是关键的。
“我们在伯克利实验室有一个很大的电池计划,我们能够制造高度可循环的电池单元.。通过我们与碳循环2.0(CarbonCycle2.0)计划的互动,材料科学部的研究人员得益于优质电池设施和人员,加之,我们了解到了用什么制备更好的电极,”联合作者巴塔利亚(Battaglia)说,他是伯克利实验室环境与能源技术部高级能源技术部门的项目经理。“作为回报,我们有一个窗口,可以让开发下一代材料的科学家们谈谈这些要求。”
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