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石墨烯包覆技術提升錳酸鋰電池倍率及低溫特性

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瀏覽:- 發布日期:2017-05-25 20:00:00【

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據海外媒體報道,近日來自美國西北大學材料科學與工程學院的華人科學家Kan-Sheng Chen等人制備了石墨烯包覆納米錳酸鋰(nano-LMO)材料,不僅僅充分利用了石墨烯材料的高性能,還解決了納米材料副反應多的問題,該材料具有優異的倍率性能和低溫性能,室溫下,第五人格园丁日记二怎么过怎么去花园在20C大倍率下能獲得初始容量的75%,在-20℃下容量幾乎沒有衰降。

石墨烯材料結構

圖1 石墨烯材料結構

石墨烯是目前最為先進的二維材料之一,具有諸多的優異性能,例如高電導率,超高的強度和良好的導熱性,這都使得石墨烯成為如今最為火熱的材料之一,將石墨烯優異的電化學性能與鋰離子電池結合是我們電池人的夢想。納米技術可制備具有納米尺度的材料,減少Li+擴散距離,顯著提升材料的倍率性能,但是納米材料也會帶來振實密度下降、高比表面積的問題,導致電極材料的副反應增加,限制了納米技術在鋰離子電池上的應用。

實驗中Kan-Sheng Chen制備了nano-LMO(66.7wt%),石墨烯納米片(7.3wt%)漿料,乙基纖維素(26wt%)作為穩定劑,NMP作為溶劑的漿料。其中石墨烯不僅僅作為導電劑,研究顯示石墨烯還能夠在納米LMO顆粒的表面形成一層薄的界面膜結構,從而顯著的改善LMO材料的界面穩定性,減少Mn元素的溶解。在利用超聲波分散后,將漿料涂布在Al箔的表面,經過干燥后,LMO會與石墨烯片形成穩定、高密度和均勻的電極層。最后將電極在285℃下焙燒3h獲得無粘接劑電極,電極的活性物質含量為90wt%,導電劑的含量為10wt%。

石墨烯包覆錳酸鋰工藝示意圖

圖2 石墨烯包覆錳酸鋰工藝示意圖

SEM研究顯示,該方法很好的抑制了納米顆粒的團聚,石墨烯片也均勻的分散在電極之中,高分辨率TEM顯示,在LMO顆粒的表面也包覆了一層石墨烯。

石墨烯包覆錳酸鋰后SEM電鏡圖像

圖3 石墨烯包覆錳酸鋰后SEM電鏡圖像

該電極的電化學性能測試結果如下圖所示,圖a為扣式電池充放電數據,無論是充電還是放電,電池均呈現出了4.0V和4.1V兩個電壓平臺。圖b是電池的dQ/dV曲線,從圖上我們可以看到充放電峰僅相差10mV,表明電池的極化很小,具有良好的反應動力學特性。從圖c和圖d我們可以看到相比于沒有經過石墨烯處理的LMO材料,石墨烯包覆后顯著的提升了LMO材料循環性能,在半電池中循環350次容量保持率為95%,對照組僅為80%。在石墨負極的全電池中,石墨烯包覆后的LMO材料具有幾乎與半電池相同的循環性能,但是對照組的電池循環250次后,容量衰降就超過了35%。這表明石墨烯包覆層很好的穩定了LMO/電解液界面,減少了Mn的溶解,提高了電池的循環性能。

石墨烯包覆錳酸鋰電化學性能

圖4 石墨烯包覆錳酸鋰電化學性能

高溫下(55℃)石墨烯包覆層依然很好的?;ち薒MO材料,石墨烯包覆的LMO材料在55℃下循環200次,容量保持率為80%,遠高于對照組沒有經過石墨烯包覆的LMO材料。石墨烯處理的實驗組電池(左圖)和沒有經過石墨烯處理的對照組電池(右圖)充放電電壓曲線如下圖所示,從圖上可以看到實驗組電池的充放電電壓平臺沒有顯著的變化,但是對照組的電壓平臺隨著循環次數的增加持續衰降。這表明在循環的過程中,對照組電池的內阻顯著的增加,這主要是由于高溫下Mn的溶解導致LMO材料的阻抗持續升高造成的。

高溫條件下測試石墨烯包覆錳酸鋰電池性能

圖5 高溫條件下測試石墨烯包覆錳酸鋰電池性能

電池的倍率性能測試結果如下圖所示,從圖上可以看到,相比于沒有石墨烯包覆的對照組LMO,經過石墨烯包覆后LMO的倍率性能明顯提高,參照0.2C的容量,石墨烯包覆LMO在1C、5C、10C和15C、20C,電池的容量保持率分別為100%,95%,90%,85%和75%。

石墨烯包覆錳酸鋰電池倍率性能

圖6 石墨烯包覆錳酸鋰電池倍率性能

Kan-Sheng Chen的研究顯示,石墨烯包覆LMO在低溫下同樣具有良好的電化學性能,下圖為石墨烯包覆的實驗組LMO(左圖)和沒有經過石墨烯包覆的對照組LMO低溫性能曲線(右圖)。從結果上我們可以看到,LMO經過石墨包覆處理后,低溫性能大大提高,在-20℃,0.2C下可以發揮25℃常溫容量的96%,1C可以發揮88%,研究表明這主要是因為石墨烯包覆顯著的改善了LMO的電荷交換效率,提高了LMO的低溫性能。

低溫條件下測試石墨烯包覆錳酸鋰電池性能

圖7 低溫條件下測試石墨烯包覆錳酸鋰電池性能

Kan-Sheng Chen等研發的新型石墨烯增強nano-LMO電極制備技術,不但很好克服了nano-LMO副反應多,壓實密度低等問題,石墨烯片還能夠包覆在LMO表面,改善LMO/電解液的界面穩定性,減少Mn的溶解,提升電池的循環性能。石墨烯良好的導電性,也極大的提高了LMO電極的倍率性能和低溫性能,我們是否可以在別的材料體系基礎上,利用石墨烯特性來生產更高性能鋰電池產品呢?

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