石墨

石墨烯电池的研究成果

发布时间:2022/10/8 20:28:16   

什么是石墨烯电池?

锂离子电池与体积和重量相比具有良好的容量。然而,有一个缺点:充电要花很长时间。另一个缺点是它们的最大输出功率。锂离子电池的容量可能很大,但其最大输出功率有限,因为存在过热的风险。

石墨烯电池是通过增强现有锂离子电池来制造的。这是通过用石墨烯丰富电极来实现的,石墨烯改变了它们的化学和物理性质。结果提高了充电/放电速率特性,提高了容量。提高放电率意味着石墨烯电池的最大输出功率更高。

石墨烯电池是一种新技术,到年,它们刚刚投入批量生产。这意味着他们仍在研究中。最优的制造工艺还有待发现。这方面缺乏知识,同行评议的科学资料仍然很少。

石墨烯电池是怎样制成的?

石墨烯氧化钒电池

莱斯大学的研究人员发现了一种新的材料,它是氧化钒(VO2)和石墨烯的混合物。这种混合物可以用于锂离子电池阴极。

测量结果表明,这些混合阴极能在20秒内完全充放电,并能承受超过次的电荷循环。在次循环后,其容量仍比名义值的90%要好。

钒氧化物在锂离子电池中具有较高的能量。这是因为他们像海绵一样收集锂离子。使用钒氧化物(VO2)或钒五氧化物(VO5)的缺点是,一般来说氧化物是坏的导电体。低电导率导致较慢的充电/放电速率。

科学家们找到了一种使用石墨烯的方法,石墨烯是一种极好的导体,它是一种附着在氧化钒上的结构骨架。这种混合动力从氧化钒和石墨烯中具有良好的导电性,可以快速充电。

这一过程包括将氧化石墨纳米薄片与粉化的VO5混合。这种混合物悬浮在水中,加热到高温。在这样的温度下,五氧化二钒降低到VO2,而石墨氧化物则降低到石墨烯。当VO2结晶时,它形成约10nm厚和nm宽的纳米带,单层石墨烯涂层。这些条带有几十微米长,而且它们有一个非常大的比表面积,这使得由于VO2的离子浸渍性能和石墨烯的高电导率,电子和锂离子的扩散速度非常快。这两个特性结合在一起,可以快速充电和放电速率,以及这些电池的最高功率输出。

制造石墨烯电池的真正技术难点是实际制造的vo2-石墨烯混合材料。为了生产这种混合动力,必须非常精确地控制温度、压力和混合浓度等工艺条件。工艺参数现在比较出名,可以容易控制,允许大规模生产。

石墨烯磷酸铁锂电池

LiFePo4电池,也叫LFP(磷酸铁锂)可充电电池使用LiFePo4作为阴极。LFP电池是一种可充电的锂离子电池。尽管它们的能量密度比其他一些消费级锂离子电池低,但它们的功率密度更高。功率密度是电池提供能量的一个指标。由于它们的功率密度较高,它们在电动汽车上尤其有趣。与其他锂离子技术相比,LiFePo4电池的热稳定性和化学稳定性要好得多。在充电过程中,它们很难被点燃,而LFP电池在失败之前可以处理比其他锂电池更多的滥用。

年9月,一群科学家首次发表了一篇关于使用石墨烯来增强电池阴极的论文。他们的研究结果令人吃惊。他们的石墨烯电池的充电速度比锂离子电池快很多倍,而且电池容量也更大,比传统的LFP电池的理论最大值还要大。

他们是如何制造出这种石墨烯增强电池的?基本上,他们创造了一种新的复合材料,由LiFePo4和石墨烯组成。为了做到这一点,他们将生命po4纳米颗粒与氧化石墨烯纳米薄片结合在一起,并使用了诸如喷雾干燥和退火等工艺。结果是一种由生活po4原生纳米粒子组成的材料,嵌入在次级球形微粒中,用石墨烯薄片的三维网络松散地包裹在一起。

石墨烯是一种极好的导电体,其电子迁移率和迁移率大大提高。石墨烯薄片上的纳米尺寸的孔允许在三维石墨烯基体中增加Li+的流动性。他们所创造的基本上是一个离子海绵,可以吸收锂离子,同时允许电子在母体内自由移动。

当应用到石墨烯电池时,这种新型的lifepo4-石墨烯复合材料产生了巨大的效果,并使电池具有一些优异的性能。首先,具体的容量是每克70mAh。这意味着你的手机电池重量可能低于20克。重量的减少是对电动汽车的一个热烈欢迎,它可以使用数百公斤的电池来运行。费用和排放率也得到了改善。这些改进的LFP石墨烯电池可以在10C充电,在20C放电,个周期,只有15%的容量衰减率。为了更好地理解这一点,如果一个电池的额定功率是mAh,这意味着它可以在理论上提供一个小时马力的电流。在此背景下,1C表示额定电流,在我们的例子中是mA。普通锂离子电池在0.5-0.8C充电,放电至1C。另一方面,这些改进的石墨烯电池能够可靠地充电和放电,比传统的锂离子电池高出20倍。峰值放电率安全增加到70C,这是电池功率密度的70倍。

石墨烯电池应用

快速充电石墨烯电池可能是电动汽车能量存储单元的下一步。传统的电动汽车电池充电需要很长时间,在某些情况下需要5个小时。即使是在完全充电的情况下,它们也能提供大约50英里的行驶里程。石墨烯电池可以提供相同的范围,但充电时间可以缩短到半小时。



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