金屬鋰被涂覆在石墨烯/碳納米管混合材料上作為電池負極， 鋰金屬涂覆負極的三
維結(jié)構(gòu)，避免形成枝晶
近日消息，萊斯大學(xué)的研究人員創(chuàng)建了一種基于石墨烯和碳納米管混合物的可充電鋰電池，其容量是目前商業(yè)鋰離子電池容量的三倍。這主要歸功于他們解決了長久以來困擾鋰電池的性能提升的“鋰枝晶”問題。該電池將金屬鋰涂覆在石墨烯/碳納米管復(fù)合材料上作為負極。石墨烯/碳納米管無縫復(fù)合材料在2012年就首次被萊斯大學(xué)的科研人員制備出來了，由于具有三維結(jié)構(gòu)，該材料的比表面積非常大，可以提供豐富的儲存鋰的空間。
電子顯微鏡圖像顯示均勻涂覆有金屬鋰的碳納米管。在萊斯大學(xué)創(chuàng)建的石墨烯 - 碳納米管負極
的測試表明，它可以抵抗鋰樹枝狀晶體的形成，延長電池壽命。
該負極材料的容量達到了儲存鋰金屬的理論最大值，可達3351mAh/g，同時還避免了鋰枝晶的形成。鋰離子電池在多個充/放電周期、大電流充電或者過長充電時間的情況下,容易在負極表面形成鋰枝晶(樹突狀),不僅會縮減電池的電容量,還會導(dǎo)致短路等安全事故。這個難題已經(jīng)成為阻礙鋰電池向續(xù)航力能更久、充電更快發(fā)展的瓶頸之一。
該研究成果發(fā)表在了最新的《ACSNano》雜志上。
共價鍵合到石墨烯基底上的碳納米管
由萊斯大學(xué)教授James Tour領(lǐng)導(dǎo)研究團隊發(fā)現(xiàn)，他們制備的新型鋰電池充電時，鋰金屬會均勻涂覆在由納米管與石墨烯共價鍵合形成的高導(dǎo)電碳雜化物表面。該混合物替代了在普通鋰離子電池中的石墨負極。這種具有低密度和高表面積的新型納米管森林負極具有充足的鋰離子電池充放電空間。 鋰離子均勻分布，可以抑制鋰枝晶的生長。
該項研究是在2014年取得初步突破的，當時還是Tour課題組的研究生，現(xiàn)在是劍橋大學(xué)博士后的Abdul-Rahman Raji開始研究將石墨烯/碳納米管作為電極材料。他說：當分析一個全電池中與鋰鈷氧化物陰極組合的陽極材料中儲鋰的實驗結(jié)果時，我推測，金屬鋰必須被鍍在電極上。
一個星期后，Raji和他的一個伙伴嘗試將鋰金屬沉積在一個獨立的復(fù)合負極材料上，以便可以用顯微鏡觀察，“我們驚呆了，發(fā)現(xiàn)沒有鋰枝晶生長，這將有可能創(chuàng)造歷史，”他說。
為了測試這種新的負極材料，該研究團隊利用硫作為正極組裝了全電池，在經(jīng)過500個充放電循環(huán)后還保有80%的容量，這對于正常的手機用戶來說，大約可以用兩年的時間。在顯微鏡下觀察，負極表面沒有出現(xiàn)鋰枝晶或者沉積。研究人員報告說，肉眼看，當沒有充電時，負極是黑色的，當充滿鋰是負極是銀色的。
許多科研人員做電池的相關(guān)研究時只關(guān)注負極材料，因為做全電池有些困難。Tour說，與他們不同，我們將開發(fā)基于硫正極的技術(shù)以適應(yīng)基于這種超高容量的負極材料。我們正在以中試規(guī)模生產(chǎn)這種全電池，包括正極和負極材料，并進行測試。鋰-硫電池是以金屬鋰為負極,單質(zhì)硫為正極的二次電池,因其具有高的理論比容量(1675mAh/g)及理論能量密度(2600 Wh/kg),成為最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦透吣芑瘜W(xué)電源體系之一。并且,硫儲量豐富、成本低廉、環(huán)境友好,是一種"綠色電池"。
萊斯大學(xué)研制出無縫石墨烯/碳納米管復(fù)合材料（2014）
美國萊斯大學(xué)研究人員日前研制出長度可以達到120微米的無縫石墨烯/碳納米管復(fù)合材料，或可作為最好的電極界面材料，在諸多儲能和電子器件得到應(yīng)用。當加熱時，碳納米管通過催化像摩天大樓一樣在石墨烯層上開始向上生長，它們將鋁氧化物層頂起，銅則作為三維復(fù)合材料的優(yōu)良集電器。電子顯微鏡圖像顯示單壁、雙壁和三壁納米管都牢牢地嵌在石墨烯內(nèi)，同時電測試顯示在交接處電流可無阻抗通過。
