金屬鋰被涂覆在石墨烯/碳納米管混合材料上作為電池負(fù)極， 鋰金屬涂覆負(fù)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?dú)w功于他們解決了長(zhǎng)久以來(lái)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(fù)極。石墨烯/碳納米管無(wú)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(lái)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(chǔ)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(fù)極
的測(cè)試表明，它可以抵抗鋰樹枝狀晶體的形成，延長(zhǎng)電池壽命。
該負(fù)極材料的容量達(dá)到了儲(chǔ)存鋰金屬的理論最大值，可達(dá)3351mAh/g，同時(shí)還避免了鋰枝晶的形成。鋰離子電池在多個(gè)充/放電周期、大電流充電或者過(guò)長(zhǎng)充電時(shí)間的情況下,容易在負(fù)極表面形成鋰枝晶(樹突狀),不僅會(huì)縮減電池的電容量,還會(huì)導(dǎo)致短路等安全事故。這個(gè)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(jià)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，他們制備的新型鋰電池充電時(shí)，鋰金屬會(huì)均勻涂覆在由納米管與石墨烯共價(jià)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(fù)極。這種具有低密度和高表面積的新型納米管森林負(fù)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(zhǎng)。
該項(xiàng)研究是在2014年取得初步突破的，當(dāng)時(shí)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(shuō)：當(dāng)分析一個(gè)全電池中與鋰鈷氧化物陰極組合的陽(yáng)極材料中儲(chǔ)鋰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，我推測(cè)，金屬鋰必須被鍍?cè)陔姌O上。
一個(gè)星期后，Raji和他的一個(gè)伙伴嘗試將鋰金屬沉積在一個(gè)獨(dú)立的復(fù)合負(fù)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(zhǎng)，這將有可能創(chuàng)造歷史，”他說(shuō)。
為了測(cè)試這種新的負(fù)極材料，該研究團(tuán)隊(duì)利用硫作為正極組裝了全電池，在經(jīng)過(guò)500個(gè)充放電循環(huán)后還保有80%的容量，這對(duì)于正常的手機(jī)用戶來(lái)說(shuō)，大約可以用兩年的時(shí)間。在顯微鏡下觀察，負(fù)極表面沒有出現(xiàn)鋰枝晶或者沉積。研究人員報(bào)告說(shuō)，肉眼看，當(dāng)沒有充電時(shí)，負(fù)極是黑色的，當(dāng)充滿鋰是負(fù)極是銀色的。
許多科研人員做電池的相關(guān)研究時(shí)只關(guān)注負(fù)極材料，因?yàn)樽鋈姵赜行├щy。Tour說(shuō)，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(fù)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(fù)極材料，并進(jìn)行測(cè)試。鋰-硫電池是以金屬鋰為負(fù)極,單質(zhì)硫?yàn)檎龢O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(chǔ)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(wú)縫石墨烯/碳納米管復(fù)合材料（2014）
美國(guó)萊斯大學(xué)研究人員日前研制出長(zhǎng)度可以達(dá)到120微米的無(wú)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(chǔ)能和電子器件得到應(yīng)用。當(dāng)加熱時(shí)，碳納米管通過(guò)催化像摩天大樓一樣在石墨烯層上開始向上生長(zhǎng)，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(shí)電測(cè)試顯示在交接處電流可無(wú)阻抗通過(guò)。
