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石墨烯海绵为未来电池铺平道路

石墨烯海绵为未来电池铺平道路

2019年7月18日
玛西娅·冈萨雷斯(MarciaGonzález)

Chalmers的瑞典研究人员将石墨烯和硫磺混合以实现电池突破

为了满足电力未来的需求,新的电池技术将至关重要。 一种选择是锂硫电池,其理论能量密度约为锂离子电池的五倍。 瑞典查尔默斯工业大学的研究人员最近推出了一种有希望的突破,这种类型的电池在石墨烯海绵的帮助下使用阴极电解液。

研究人员的新想法是一种多孔的海绵状气凝胶,由还原的氧化石墨烯制成,可作为电池单元中的独立电极,并能更好地利用硫。

传统电池由四部分组成。 首先,有两个涂覆有活性物质的支撑电极,称为阳极和阴极。 在它们之间是电解质,通常是液体,允许离子来回传递。 第四个组件是分隔器,它充当物理屏障,可防止两个电极之间的接触,同时仍允许离子转移。

研究人员此前曾尝试将阴极和电解质混合成一种液体,即所谓的“阴极电解液”。 该概念可以帮助减轻电池重量,并提供更快的充电和更好的电源功能。 现在,随着石墨烯气凝胶的发展,该概念已被证明是可行的,并提供了一些非常有希望的结果。

以标准的纽扣电池为例,研究人员首先插入了一层薄薄的多孔石墨烯气凝胶。 “您将气凝胶(细长的细管)取出,然后切成薄片-就像萨拉米香肠一样。 您将其切成薄片并压缩,以装入电池中。”研究的首席研究员,查尔默斯大学物理系的Carmen Cavallo解释说。

然后,将富含硫的溶液(阴极电解液)添加到电池中。 高度多孔的气凝胶充当载体,像海绵一样吸收溶液。

Cavallo指出:“石墨烯气凝胶的多孔结构是关键。” “它吸收了大量的阴极电解液,为您提供足够高的硫负载量,使阴极电解液概念值得考虑。 这种半液体阴极电解液在这里确实至关重要。 它使硫能够来回循环而没有任何损失。 它不会因溶解而损失-因为它已经溶解在阴极电解液溶液中。”

一些阴极电解液溶液也被施加到隔板上,以使其履行其电解质作用。 这也使电池中的硫含量最大化。

从手机到电动汽车,目前使用的大多数电池都是锂离子电池。 但是这种类型的电池已接近极限,因此新化学对于具有更高功率要求的应用变得至关重要。 锂硫电池具有几个优点,包括更高的能量密度。 目前市场上最好的锂离子电池的运行功率为每公斤300瓦时,理论最大值为350。锂硫电池的理论能量密度为每公斤1,000至1,500瓦时。

“此外,硫磺便宜,高度丰富并且对环境更加友好。 硫磺电池还具有不需要包含任何对环境有害的氟的优势,就像锂离子电池中常见的氟一样。”领导研究小组的查尔默斯大学物理系教授Aleksandar Matic说道。

迄今为止,锂硫电池的问题在于电池的不稳定性以及随之而来的低循环寿命。 当前的版本退化很快,并且具有有限的寿命,并且周期数极少。 但是,在测试他们的新原型时,查默斯(Chalmers)研究人员证明了350个循环后,其容量保留率达到了85%。

这项新设计避免了锂硫电池退化的两个主要问题,一个是硫溶解在电解质中并损失了,另一个是“穿梭效应”,硫分子从阴极迁移到阳极。 在这种设计中,可以大大减少这些不良问题。

研究人员指出,然而,要实现该技术的全部市场潜力还有很长的路要走。

“由于这些电池是大多数普通电池的替代生产方式,因此需要开发新的制造工艺以使其具有商业可行性,” Aleksandar Matic说。

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