Grafen kaplı lityum alaşımı, lityum metal anot için mükemmel bir alternatiftir
Son yıllarda, yeni enerji taşıt pazarının aniden ortaya çıkması, acil olarak insanların yüksek enerji yoğunluğuna ve uzun hizmet ömrüne sahip güç pilleri geliştirmesini gerektirmektedir.Bunun başlıca nedeni: geleneksel lityum iyon piller (negatif elektrot olarak grafit, teorik kapasite 370 mAh / g) Yukarıda belirtilen enerji talebini karşılayamamaktadır.
Bu çetrefilli soruna yanıt olarak, daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip metal alaşımlı elektrotlar (Si, Sn, Al alaşımlı elektrotlar gibi) kapsamlı bir şekilde incelenmiştir, ancak yukarıda belirtilen yüksek kapasiteli alaşım elektrotlar, negatif elektrotlar, lityum tuzları (lityum demir fosfat, vb. < Katot malzemesi olarak 200 mAh / g) kullanıldığında, daha düşük pil kapasitesi uygulama olasılıklarını büyük ölçüde zayıflatır.
Ek olarak, pilin negatif elektrotu olarak daha yüksek özgül kapasiteye sahip lityum metal (3860 mAh / g) kullanıldığında, kullanım sırasında lityum dendritler, hacim genişlemesi ve yüksek reaktivite (su buharı, hava ve elektrolit ile son derece kolay reaksiyona girmesi) sorunu ortaya çıkar. Lityum metal negatif elektrodun eleştirisi. Buna dayanarak, lityum alaşımlı elektrotları (LixM, burada M = Si, Sn veya Al) hazırlamak için yukarıdaki alaşım elektrotları ve lityum metalin entegrasyonunun pilin kapasitesini ve hizmet ömrünü artırması beklenecektir.
Ayrıca, lityum alaşımlı elektrodun (LixM) havadaki stabilitesini artıran bir malzemeye kaplanması işlemi, yalnızca yüksek elektrokimyasal performansa sahip bir güç bataryası elde etmekle kalmaz, aynı zamanda malzemenin üretim maliyetini de düşürür ki bu da bir taşla iki kuş olarak tanımlanabilir.
Yakın zamanda, Stanford Üniversitesi'nden Profesör Yi Cui'nin (ilgili yazar) ekibi, Nature Nanoteknoloji üzerine "Lityum metal anotlara alternatif olarak havada stabil ve bağımsız lityum alaşımı / grafen folyo" başlıklı bir araştırma sonucu yayınladı.
Araştırmacılar ilk önce hazırlanan lityum alaşımı (LixM) nanopartiküllerini mükemmel hidrofobik özelliklere ve düşük gaz geçirgenliğine ( < 10 katmanlı malzemeler arasında, lityum alaşımı / grafen negatif elektrot malzemeleri daha sonra pozitif elektrot malzemeleri olarak LiFePO4, V2O5 ve S kullanılarak lityum pillere uygulandı ve referans deneyler olarak lityum metal negatif elektrotlar ve grafen negatif elektrotlar kullanıldı. Şarj ve deşarj koşulları altında, pilin elektrokimyasal performansı test edildi ve negatif elektrot malzemesi SEM, TEM, XPS, esneklik, güç ve hidrofobiklik ile karakterize edildi.
Sonuçlar, negatif elektrot olarak lityum alaşımı / grafen içeren pilin, yüksek akım yoğunluğunda 400 döngü şarj ve deşarjdan sonra hala başlangıç kapasitesinin% 98'ini koruyabildiğini göstermektedir. Bunun başlıca nedeni:
(1) LixM alaşımlı malzemeler, lityum yerleştirme ve delithiation sürecinin neden olduğu hacim genişleme değişiklikleriyle etkili bir şekilde başa çıkabilir;
(2) Kaplanmış grafen malzemesi daha iyi hidrofobik özelliklere, daha düşük gaz geçirgenliğine sahiptir ve negatif elektrotun stabilitesini geliştirir (hava, su ve elektrolit ile reaksiyonu önler);
(3) Lityum-kükürt piller için, kaplanmış grafen malzemesi, polisülfür bileşiklerinin negatif elektrotla reaksiyonunu engeller, pozitif kükürt aktif malzemenin kaybını azaltır ve pil kapasitesini korur.
1. LixM / grafen malzeme mikro yapısı ve hazırlama süreci
a) Soldaki resim: LixM / grafen malzeme yapısı (Not: M = Si, Sn veya Al, resimdeki kompakt LixM nanopartikülleri grafen levha ile kaplanmıştır.Malzeme iyi kimyasal stabiliteye sahiptir (mükemmel hidrofobiklik). Performans, düşük gaz geçirgenliği) Doğru: Malzemenin esnekliği ve seri üretimi;
b) LixM / grafen malzeme hazırlama işlemi: Bir eldiven kutusunda lityum metali çözün, uygun stokiyometrik orana sahip M metal parçacıkları ekleyin ve LixM parçacıklarını elde etmek için karıştırın ve ardından bağlayıcı stiren-bütadien-stiren blok kopolimerini ekleyin ( SBS) ve grafen bir bulamaç oluşturur ve bunu substrat polietilen tereftalat (PET) üzerine kaplar Soymanın ardından, iyi esnekliğe ve hava stabilitesine sahip bir LixM / grafen elektrot malzemesi elde edilir.
2. LixSi / grafen malzeme performans karakterizasyonu
a) Gruplar halinde hazırlanan LixSi / grafen malzemelerin fotoğrafları (şekilde 5 cm'lik ölçek çubuğu);
b) Düşük büyütme altında LixSi / grafen malzemesinin TEM görüntüsü (şekilde ölçek çubuğu 1um);
c) Yüksek büyütme altında LixSi / grafen malzemesindeki grafen kenar tabakasının resmi (şekilde ölçek çubuğu 5nm);
d) Grafen, dökme kağıt, lityum folyo ve LixSi / grafen dört malzemesinin tek eksenli çekme testi eğrileri (malzemenin mekanik mukavemetini ve esnekliğini elde etmek için);
e) LixSi / grafen malzemesinin XRD modeli;
f) ve g) LixSi / grafen malzemesinin SEM üstten görünümü ve enine kesit görünümü (şekildeki ölçek çubuğu sırasıyla 2, 20um'dir).
3. LixSi / grafen malzemelerin kararlılığı
a) Grafen (kaplama malzemesi) ve SBS (bağlayıcı) hidrofobiklik testi;
b) Üst resim: LixSi / grafen malzemesi kimyasal stabilite diyagramı (havada H2O, CO2, O2 ile reaksiyona girmesi kolay değildir); alttaki resim: grafen tabakasının ortasında kaplanmış LixSi parçacıklarının SEM görüntüsü (şekilde ölçek çubuğu 1) um);
c) Havadaki lityum folyo anot tabakası ve LixSi / grafen anot tabakasının kimyasal stabilite deneyinin karşılaştırmalı fotoğrafları;
d) LixSi / grafen negatif elektrot tabakasının sıcaklık direncinin incelenmesi (şekildeki siyah ve kırmızı eğriler, pil malzemelerinin oda sıcaklığında ve kurutulduktan sonra (sırasıyla 800C ve 6h) voltaj-kapasite eğrileridir);
e) LixSi / grafen negatif elektrot levhasının kurutma odası atmosferine direnci (kurutma odasının çiğlenme noktası sıcaklığı -500C'dir) performans denetimi (şekildeki siyah ve kırmızı eğriler elektrot malzemesinin açıkta olmadığını ve pil malzemesinin 2 hafta boyunca kurutma odası atmosferine maruz kaldığını gösterir. Gerilim-kapasite eğrisi);
f) LixSi / grafen negatif tabakanın havadaki H2O'ya karşı direncinin araştırılması (Şekildeki siyah ve kırmızı eğriler, pil malzemesinin havaya maruz kaldıktan sonraki voltajıdır ve havaya maruz kalmaz (bağıl nem% 20-60, süre 3 gün) -Kapasite eğrisi);
4. Pil elektrokimyasal performans testi ve LixSi / grafen malzemesi lityum yerleştirme ve delithiation diyagramı
a) Sırasıyla kalınlıkları 19um ve 42um olan LixSi / grafen negatif yarı hücrelerin ilk deşarjı (delithiation işlemi) sırasında malzeme voltaj-kapasite eğrisi;
b) Farklı akım yoğunluklarının 400 döngüsünden sonra grafen negatif yarı hücre ve LixSi / grafen negatif yarı hücrenin elektriksel performansı;
c) LixSi / grafen malzeme lityum yerleştirme-eritme diyagramı (sağdaki SEM resminde ölçek çubuğu 2um); ve e) LixSi / grafen-LiFePO4 pilin (dolu pil) ve Li-LiFePO4 pilin (yarı) şarj ve deşarj performansı Eğri karşılaştırması
5. LixSi / grafen kükürt pil ve lityum kükürt pilin elektrokimyasal performansının karşılaştırılması
a) Pil katodunun karbon materyali ile kaplanmış aktif materyal sülfürün SEM görüntüsü (şekildeki ölçek çubuğu 5um'dur);
b) Aktif malzeme sülfür ile kaplanmış pozitif elektrotlu karbon malzemenin TEM görüntüsü, iç kısım, karbon malzemenin genişletilmiş bir kenar kafesidir (iki şekildeki ölçek çubukları sırasıyla 200nm ve 10nm'dir);
c) LixSi / grafen-kükürt pil ve lityum-kükürt pil arasındaki elektrik performansının karşılaştırılması;
d) İki pil sisteminin 50 kez şarj edilip boşaltılmasından sonra LixSi / grafen negatif elektrot levhası ve lityum negatif elektrot levhasının XPS karakterizasyonu (üstteki iki resim lityum negatif elektrot malzemelerinin sonucudur, alttaki iki resim LixSi / grafenin sonuçlarıdır);
Özet
LixM / grafen elektrotları, grafen levhalara LixM (M = Si, Sn veya Al) kaplanmasıyla elde edilir. Daha önce incelenen metal alaşımlı-lityum tuzu ve metal alaşımlı-vanadyum pentoksit piller ile karşılaştırıldığında, bu pil sistemi pilin enerji yoğunluğunu artırır ve mükemmel döngü performansına sahiptir (400 döngüden sonra, pil kapasitesi hala başlangıç kapasitesinin% 98'idir ), pilin hizmet ömrünü uzatan; lityum sülfür pil sistemi ile karşılaştırıldığında, pil sistemi, polisülfür bileşiğinin negatif elektrot ile reaksiyonunu etkili bir şekilde engelleyebilir, polisülfür bileşiğinin mekik etkisini azaltabilir ve pil kapasitesini artırabilir.
Malzemenin havadaki stabilitesini daha da iyileştirmek gerekir.Daha sonra, verimli, ekonomik ve çevre dostu olmak için malzemenin stabilitesini ve kullanım kolaylığını iyileştirmek için LixM / grafen malzeme üzerine oksijen atomları veya flor atomları biriktirilebilir. Güç pillerinin zemin kullanımı.
