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锂电池导电剂进化:零维、一维到二维

来源: | 作者:admin | 分类:新闻 | 时间:2016-07-04 | 浏览:2136
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(文/凭栏眺)锂离子电池自诞生之初,便对导电剂材料产生了依赖。锂离子电池的正极材料。例如钴酸锂,基本上是过渡金属的氧化物,其特性导致其导电性较差,为了适应锂离子电池的需求,在锂离子电池制备的过程中,都会加入导电剂,以增强正极材料的导电性能,提高电池的性能。

  锂离子电池的导电剂也和锂离子电池电极材料一样,不断的进化。从最早的炭黑材料,例如AB,SP等,其特点是点状导电剂,也可以称作零维导电剂,主要通过颗粒之间的点接触提高导电性。

  到后来,逐渐发展出了导电碳纤维这一类具有一维结构的导电剂,由于其纤维状结构,增大了与电极材料颗粒的接触,大大提高了电极的导电性,降低了极片电阻。

  最近火热的石墨烯材料,如今也逐渐成为锂离子电池的新型导电材料,由于石墨烯具有二维的片层状结构,极大的增加了电极颗粒之间的接触,提高了导电性,并降低了导电剂的用量,提高了锂离子电池的能量密度

  石墨烯是一种独特的二维材料,石墨烯的出现改变了人们对单层原子不能稳定存在的认识,石墨烯独特的物理和化学特性使得其成为了材料界的新宠,近年来关于石墨烯的理论、制备研究已经成为了国内外研究的热点。

  锂离子电池是目前比能量最高的二次电池之一,具有优异的循环和倍率性能,是便携电子设备和动力电源的首选,特别是近年国家大力推动发展的电动汽车,由于锂离子电池具有十分优异的综合性能,因而成为动力电池的首选。

  石墨烯在锂离子电池领域的应用目前已经走出实验室,进入到了实用化的阶段,利用石墨烯高的导电性,将石墨烯添加到锂离子电池中作为导电剂,降低锂离子电池的内阻,并降低电池中导电剂的用量,是目前石墨烯在锂离子电池领域应用的主要方向。

  石墨烯的制备主要分为物理方法和电化学方法,物理方法例如机械剥离法,硅外延生长法等,化学方法比较适合批量生产,例如氧化石墨热膨胀还原法,低温法等。

  机械玻璃方法是最早制备获得石墨烯的方法,2004年Geim等人就通过胶带粘贴的方法,从高定向石墨分离获得了单层的石墨烯,并且因为这一杰出贡献而获得了2010年的诺贝尔奖。

  机械剥离法首先需要用离子束在高定向裂解石墨上刻槽,然后在上面贴上光刻胶,然后进行烘焙,然后利用胶带反复撕揭,然后将石墨放入丙酮中进行超声处理,将单层的石墨烯捞出,这种方法的优点是产物可以保持外媒的晶体结构,缺陷少,缺点也是显而易见的,生产效率极低。

  硅外延生长法也是常用的制备石墨烯的物理方法,该方法主要是用电子束轰击经过氧化或者H2处理的SiC单晶片,除去表面的氧化物,再利用高温将表面层中的Si原子蒸发,剩余的C原子会发生重构,在SiC的表面生成石墨烯。

  氧化石墨的热膨胀还原法是常用的化学制备石墨烯的方法,也是目前实现工业化生产的方法,该方法是将鳞片石墨经过一系列的氧化反应获得氧化石墨,再经过还原就可以制得石墨烯。

  主要原理是利用石墨与强氧化剂反应使得石墨的层间距变大,类似于爆米花的过程。该方法可以廉价的大量制备石墨烯,但是由于在还原过程中存在不充分的问题,因此导致该方法制备的石墨烯材料导电性稍差,并且石墨烯表面存在的官能团可能会影响到锂离子电池性能的发挥。

  石墨烯单独作为负极材料时,虽然其初始容量较高,但是随着充放电,电池的容量快速衰减,这可能是较大的比表面积,以及较多结构缺陷,使得石墨烯与电解液之间的副反应较多,从而导致不可逆容量较高。

  因此目前锂离子电池中石墨烯的应用主要集中在石墨烯作为导电剂添加,以提高导电性,以及制备石墨烯复合材料。例如石墨烯与Si材料结合,Zhao等制备了具有多孔结构的Si-G复合材料,在8A/g的电流密度下,比容量达到1100mAh/g,相当于8分钟充满,而在1A/g的电流密度下,比容量高达3200mAh/g。

  随着石墨烯制备技术的逐渐成熟,生产成本不断降低,石墨烯作为导电剂应用在锂离子电池上已经进入到实际应用阶段。

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