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石墨烯气凝胶应用于高体积比能量锂硫电池研究取得新进展

2019-11-18 19:29:37
石墨烯气凝胶应用于高体积比能量锂硫电池研究取得新进展

4月25日,记者了解到,我所二维材料与能源器件创新特区研究组(DNL21T3)吴忠帅研究员团队发展了一种三维石墨烯/纳米碳管多孔气凝胶材料,并将其应用于锂硫电池的硫单质载体和中间层一体化正极,获得高体积能量密度和优异循环稳定性的锂硫电池。相关研究成果发表在《纳米能源》(Nano Energy)上。

锂硫电池具有高质量理论能量密度(2600Wh/kg)和高体积能量密度(2800Wh/L),被认为是一种非常有应用前景的高比能电池。但由于硫单质存在质量密度低(2.07g/cm3)、导电性差(5×10-30S/cm),以及充放电过程中活性物质体积膨胀大(78.7%)、多硫化物穿梭严重等问题,导致其虽然质量密度较高,但体积能量密度普遍较低、循环性能较差,这大大限制了锂硫电池的实际应用。因此,如何同时提高锂硫电池的质量和体积能量密度,并延长其循环寿命是目前锂硫电池应用研究的瓶颈之一。

据了解,新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外,石墨烯超级电池的成功研发,也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题,极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。

石墨烯的研究与应用开发持续升温,石墨和石墨烯有关的材料广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面。鉴于石墨烯材料优异的性能及其潜在的应用价值,在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展。 研究者们致力于在不同领域尝试不同方法以求制备高质量、大面积石墨烯材料。并通过对石墨烯制备工艺的不断优化和改进,降低石墨烯制备成本使其优异的材料性能得到更广泛的应用,并逐步走向产业化。

中国在石墨烯研究上也具有独特的优势,从生产角度看,作为石墨烯生产原料的石墨,在我国储能丰富,价格低廉。正是看到了石墨烯的应用前景,许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研发中心,尝试使用石墨烯商业化,进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用专利。如欧盟委员会将石墨烯作为"未来新兴旗舰技术项目",设立专项研发计划,未来10年内拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所(NGI),力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。

石墨烯有望在诸多应用领域中成为新一代器件,为了探寻石墨烯更广阔的应用领域,还需继续寻求更为优异的石墨烯制备工艺,使其得到更好的应用。 石墨烯虽然从合成和证实存在到今天只有短短十几年的时间,但是已成为今年学者研究的热点。其优异的光学、电学、力学、热学性质促使研究人员不断对其深入研究,随着石墨烯的制备方法不断被开发,石墨烯必将在不久的将来被更广泛的应用到各领域中。

该研究团队开发出一种三维石墨烯/碳纳米管多孔气凝胶材料,并同时将其应用于锂硫电池的硫单质载体和中间层,成功构筑出自支撑、无金属集流体的一体化正极材料。该一体化正极材料具有高的压实密度、优异导电性、良好的机械柔性,不仅实现了高的体积硫载量(1.64g/cm3),显著提高了锂硫电池的体积能量密度(1615Ah/L),而且有效地抑制了多硫化物穿梭的效应。在2C的大电流密度的条件下,电池能够稳定循环500圈,且容量几乎没有衰减,表现出优异的循环稳定性。这种硫单质载体和中间层一体化正极结构的设计策略为构建高体积能量密度、长循环寿命的锂硫电池提供了新的思路。

上述工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

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