石墨烯粉體

石墨烯粉體
您當前的位置 : 首 頁 > 新聞動態 > 行業資訊

《ACS AMI》:空心石墨烯抑制鋰離子電池硅負極的體積膨脹!

2021-09-09 15:45:30

鋰離子電池硅基負極在與鋰發生合金化和脫合金反應時,硅顆粒的體積變化很大,這是導致鋰離子電池硅基負極循環性能差的主要原因,抑制硅的尺寸變化是改善硅基負極電化學性能的關鍵方法。

 

來自韓國的研究人員證明了空心石墨烯能夠在硅基電極中同時作為導電劑和膨脹抑制劑,空心石墨烯通過壓扁石墨烯外殼周圍的空隙吸收了鋰化時硅的膨脹從而抑制體積膨脹,且空心石墨烯能在硅脫鋰后部分恢復到其初始形狀。由于石墨烯層的機械柔韌性,空心石墨烯具有很強的機械性能,可以抵消硅的體積變化引起的機械應變,從而與傳統導電劑相比,提高了機械穩定性和容量保持率。相關論文以題目為“Hollow Graphene as an Expansion-Inhibiting Electrical Interconnector for Silicon Electrodes in Lithium-Ion Batteries”發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

 原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.1c08969

wps1.png 

 

鋰離子電池(LIB)作為電動汽車和大型儲能系統的動力源,引起了人們的廣泛關注,隨著新能源電動汽車市場的擴大,對具有更高能量密度的鋰離子電池的需求也在增加。為了克服鋰離子電池的理論能量密度限制,硅的理論容量約為石墨的10倍,被確定為可能替代石墨作為負極的材料。然而,在與鋰的合金化和脫合金反應過程中,硅的巨大體積變化可能導致硅電極的粉化和開裂,阻礙硅作為鋰離子電池負極材料的實際使用。
用于在硅電極中確保導電路徑的導電劑也可被用作緩沖相,以抑制重復鋰化和去鋰化時的尺寸變化。然而,納米尺寸的導電炭黑顆粒無法維持硅電極的電通路和初始微結構,以抵抗循環期間硅的體積膨脹。盡管已經報道了許多具有各種納米結構的碳材料作為鋰0


離子電池的導電劑,但目前很少有關于可作為硅電極物理緩沖劑的導電劑的報道。
空心結構石墨烯是改善硅電極尺寸穩定性的一種很有前途的候選材料,可以抵抗硅的嚴重體積變化和硅基電極隨后的機械變形,由于其獨特的物理化學性質,包括高導電性和堅固的結構,含硅的空心結構石墨烯納米復合材料表現出優異的長期容量保持率。因此,作者認為空心結構石墨烯可以起到穩定硅電極尺寸變化和形成堅固的導電網絡的雙重作用。
在本項工作者,作者證明了作為硅電極導電劑的空心石墨烯可以抵消硅體積膨脹引起的機械應變,有助于維持硅電極中最初構建的導電網絡。含空心石墨烯的硅負極在完全鋰化后的體積膨脹率為20.4%,200周循環后容量保持率為69%,而含常規導電炭黑的硅電極在相同條件下的體積膨脹率為76.8%,容量保持率為38%。由于石墨烯殼層的機械柔韌性,一些空心石墨烯在硅去鋰化后會恢復到其初始形狀。與使用傳統導電炭黑的硅負極相比,這種含有空心石墨烯(同時用作膨脹抑制劑和導電劑)的硅負極的堅固微觀結構大大提高了其容量保持率。因此,與使用傳統導電炭黑納米顆粒作為導電劑的硅電極相比,使用空心石墨烯的硅電極在容量保持方面有顯著的改善。(文:李澍) 

wps2.png 

圖1(a) 空心石墨烯合成工藝示意圖。通過(b)SEM、(c)TEM、(d)XRD和(e)拉曼光譜分析空心石墨烯的形貌和結構

wps3.png 

圖2SP/Si和hGR/Si電極的電化學性能

wps4.png 

圖3首周循環過程中(a)SP/Si電極和(b)hGR/Si電極的XRD分析

wps5.png 

圖4  (a, d) 原始SP/Si和hGR/Si電極,(b,e) 鋰化SP/Si和hGR/Si電極,以及(c,f) 去鋰化SP/Si和hGR/Si電極在1.5V下的橫截面SEM圖

wps6.png 

圖5  (a) 原始,(b)鋰化和(c)去鋰化hGR/Si電極的近截面SEM圖像。(d)SP/Si電極和(e)hGR/Si電極在鋰化和去鋰化后的結構變化示意圖

 


最近瀏覽:

主要從事于 石墨烯粉體,石墨烯涂料,石墨烯散熱 , 歡迎來電咨詢! 服務支持: 南通祥云信息技術有限公司
国内揄拍国内精品对白86