科學(xué)家發(fā)明新一代鋰離子電池負(fù)極—“紅磷-石墨烯”納米復(fù)合材料

    鋰電世界  鋰離子電池作為高能量密度的儲(chǔ)能設(shè)備被廣泛的應(yīng)用于手機(jī)，筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品中。而時(shí)下引人注目的電動(dòng)汽車更是以鋰離子電池作為主要?jiǎng)恿?lái)源。這對(duì)鋰離子電池的性能提出了更為苛刻的要求：更高的能量密度，更久的使用壽命，更寬的工作溫度窗口。而現(xiàn)今商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極材料–石墨，因其較低的理論容量(~ 370m Ah/g)很難滿足這些要求。因此世界各國(guó)相應(yīng)領(lǐng)域的科研工作者都在尋找下一代鋰離子電池負(fù)極材料。

    針對(duì)這一問(wèn)題，最近美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)(The Pennsylvania State University)王東海教授領(lǐng)導(dǎo)的，以于昭新、宋江選為主的科研梯隊(duì)發(fā)明了一種新型鋰離子電池負(fù)極材料：“紅磷-石墨烯”納米復(fù)合材料。該種材料是由紅磷和石墨經(jīng)球磨制備得到。紅磷化學(xué)穩(wěn)定性高，廉價(jià)易得，而且環(huán)境友好。其作為鋰離子電池負(fù)極材料的理論容量可達(dá)2600 mAh/g，7倍于商用石墨電極。 石墨/石墨烯因其極高的電子電導(dǎo)率被引入到該體系中以提升納米復(fù)合材料整體的電子電導(dǎo)率。在高速球磨過(guò)程中，微米級(jí)的紅磷顆粒被打碎至納米級(jí)。石墨在球磨 過(guò)程中剝離為大比表面積的石墨烯。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間機(jī)械力作用，石墨烯相互搭接形成一個(gè)緊密結(jié)合的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，而納米級(jí)紅磷顆粒均勻分散在該網(wǎng)絡(luò)中。紅外光譜 (Infrared Spectroscopy)測(cè)試顯示，紅磷和石墨烯以“磷-氧-碳 (P-O-C)”的化學(xué)鍵形式結(jié)合在一起，這又為該材料出眾的電池性能提供了保證。在室溫下，該納米復(fù)合材料的放電容量可達(dá)1400mAh/g， 4倍于現(xiàn)行商用化鋰離子電池負(fù)極材料–石墨。 經(jīng)過(guò)300周的循環(huán)，放電容量仍然能保持在60%以上。高溫環(huán)境(60°C)對(duì)于現(xiàn)行商用鋰離子電池仍是很大的挑戰(zhàn)。而該種材料，在60°C下，放電容量 可進(jìn)一步提升至1650mAh/g。經(jīng)過(guò)200周循環(huán)，放電容量保持率可在70%以上。

    高容量，長(zhǎng)壽命，價(jià)格低廉的原材料，適宜工業(yè)化生產(chǎn)的合成方法，這些因素都促使新型“紅磷-石墨烯”納米復(fù)合材料成為下一代鋰離子電池負(fù)極材料的選擇。