4月19日，《科學(xué)報(bào)告》（ScienTIficReports）刊發(fā)日本NEC公司的錢成中研究員利用多孔石墨烯海綿添加劑增強(qiáng)鋰離子電池相關(guān)性能的研究成果。該論文題為“PorousGrapheneSpongeAddiTIvesforLithiumIonBatterieswithExcellentRateCapability”。

　　在過去20年中，鋰離子（Li-ion）電池的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)滲透到了許多領(lǐng)域，無論是常用的日常用品，如移動(dòng)設(shè)備，還是更多的專業(yè)技術(shù)，如電動(dòng)汽車（EV）、混合動(dòng)力汽車（HEV）或智能能源系統(tǒng)。

　　鋰電池具有多種形式，但市售的裝置通常由石墨陽極和LiMO2層狀陰極結(jié)構(gòu)組成，其中M通常是由鈷，鎳或錳組成的二元或三元系統(tǒng)的代表。

　　盡管經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，鋰離子電池顯示出一些很好的性能（包括電池級別的重量能量密度大于160Wh/kg），但由于充放電能力差和高倍率性能，它們?nèi)匀皇艿降凸牡挠绊憽?/p>

　　由于其采用的能量密度集中的電池設(shè)計(jì)，現(xiàn)在許多電池的性能較差。電池結(jié)構(gòu)的方式需要陽極和陰極上的高質(zhì)量負(fù)載，低電解質(zhì)系數(shù)，陽極和陰極的低孔隙率，少量的導(dǎo)電添加劑，含有低表面積的活性材料。因?yàn)樾枰胶膺@么多參數(shù)，則不可避免地導(dǎo)致高能量密度的鋰離子電池表現(xiàn)出較差的功率性能。

　　隨著鋰離子電池的消費(fèi)需求的增加，特別是從小型設(shè)備到電動(dòng)汽車的實(shí)現(xiàn)，不僅要提高電力性能，而且要提高循環(huán)能力。在汽車中尤其如此，司機(jī)希望能夠延長電池壽命，同時(shí)縮短充電時(shí)間。

　　現(xiàn)在已經(jīng)提出了許多方法來提高和測試鋰離子電池的性能，特別是通過電池設(shè)計(jì)工程方法。不幸的是，盡管有些方法提高了電池的性能，但從商業(yè)角度看，生產(chǎn)的電池還是不可行。

　　這主要與細(xì)胞中的低密度和高成本有關(guān)。錢成開發(fā)了一種蜂窩狀多孔石墨烯海綿，也被稱為“魔術(shù)G”（MG），具有高導(dǎo)電性，高比表面積和高電解質(zhì)吸收能力。海綿已經(jīng)作為添加劑摻入鋰離子電池的陽極和陰極，以提高速率能力和高速率循環(huán)性。

　　原理圖和材料合成過程

　　MagicG是通過一系列方法生產(chǎn)的，最初是從石墨開始的。從那里，研究人員通過改進(jìn)的悍馬法氧化石墨，以生產(chǎn)氧化石墨。此后進(jìn)一步進(jìn)行熱沖擊和空氣氧化處理，其形成了預(yù)制魔術(shù)G（前MG）的材料。然后在1000℃下熱處理前體來實(shí)現(xiàn)魔術(shù)G。

　　前兆和最終的MagicG產(chǎn)品均通過許多市售機(jī)器和方法進(jìn)行了表征，包括場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）（日立SU8000），透射電子顯微鏡（TEM）（HitachiH-90000UHR），原子力學(xué)顯微鏡（AFM）（BrukerNanoScopeVDimensionIcon），傅里葉變換紅外（FT-IR）（Varian7000FT-IR），拉曼光譜（NRS-7000），氣體吸附（BELSORP18PLUSUS-HT）和溫度程序解吸質(zhì)量光譜法（TPD-MS）（ShimadzuGC/MS-QP2010Plus）。

　　加入魔術(shù)G后，電池的陽極和陰極都顯示出更強(qiáng)的性能和充電速率。

　　與其他非魔術(shù)G鋰離子電池相比，向陽極添加0.5％（重量）添加量可使充電容量保持率在6次循環(huán)時(shí)從56％提高到77％，10次循環(huán)時(shí)的充電容量保持率從7％提高到45％。

　　在陰極中，加入相同量的MagicG，并且在6次循環(huán)中，放電容量率從43％增加到76％，并且在10個(gè)循環(huán)中從16％增加到40％。

　　全電池的充放電速率

　　通過添加石墨烯海綿，兩種電極的高速率的循環(huán)性得到改善。

　　除了更顯著的改進(jìn)之外，添加MagicG的電極電子傳導(dǎo)性也增加了，電解質(zhì)的吸附，并降低了活性材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻。

　　生產(chǎn)的蜂窩狀材料，作為下一代鋰離子電池的添加劑具有很大的潛力，因?yàn)樗鼈兗染哂懈唠姾擅芏扔志哂辛己玫乃俾市阅?，因此解決了許多難題。

　　添加劑引入電極后的特性，對于用于電動(dòng)車輛的鋰離子電池是必不可少的。錢成還期待進(jìn)一步優(yōu)化未來的結(jié)構(gòu)，以獲得更高的性能。