4月19日，《科學報告》（Scientific Reports）刊發(fā)日本NEC公司的錢成中研究員利用多孔石墨烯海綿添加劑增強鋰離子電池相關性能的研究成果。該論文題為“Porous Graphene Sponge Additives for Lithium Ion Batteries with Excellent Rate Capability”。

　　在過去20年中，鋰離子（Li-ion）電池的應用技術已經(jīng)滲透到了許多領域，無論是常用的日常用品，如移動設備，還是更多的專業(yè)技術，如電動汽車（EV）、混合動力汽車（HEV）或智能能源系統(tǒng)。

　　鋰電池具有多種形式，但市售的裝置通常由石墨陽極和LiMO 2層狀陰極結構組成，其中M通常是由鈷，鎳或錳組成的二元或三元系統(tǒng)的代表。

　　盡管經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，鋰離子電池顯示出一些很好的性能（包括電池級別的重量能量密度大于160Wh / kg），但由于充放電能力差和高倍率性能，它們仍然受到低功耗的影響。

　　由于其采用的能量密度集中的電池設計，現(xiàn)在許多電池的性能較差。電池結構的方式需要陽極和陰極上的高質量負載，低電解質系數(shù)，陽極和陰極的低孔隙率，少量的導電添加劑，含有低表面積的活性材料。因為需要平衡這么多參數(shù)，則不可避免地導致高能量密度的鋰離子電池表現(xiàn)出較差的功率性能。

　　隨著鋰離子電池的消費需求的增加，特別是從小型設備到電動汽車的實現(xiàn)，不僅要提高電力性能，而且要提高循環(huán)能力。在汽車中尤其如此，司機希望能夠延長電池壽命，同時縮短充電時間。

　　現(xiàn)在已經(jīng)提出了許多方法來提高和測試鋰離子電池的性能，特別是通過電池設計工程方法。不幸的是，盡管有些方法提高了電池的性能，但從商業(yè)角度看，生產的電池還是不可行。

　　這主要與細胞中的低密度和高成本有關。錢成開發(fā)了一種蜂窩狀多孔石墨烯海綿，也被稱為“魔術G”（MG），具有高導電性，高比表面積和高電解質吸收能力。海綿已經(jīng)作為添加劑摻入鋰離子電池的陽極和陰極，以提高速率能力和高速率循環(huán)性。

　　原理圖和材料合成過程

　　Magic G是通過一系列方法生產的，最初是從石墨開始的。從那里，研究人員通過改進的悍馬法氧化石墨，以生產氧化石墨。此后進一步進行熱沖擊和空氣氧化處理，其形成了預制魔術G（前MG）的材料。然后在1000℃下熱處理前體來實現(xiàn)魔術G。

　　前兆和最終的Magic G產品均通過許多市售機器和方法進行了表征，包括場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）（日立SU8000），透射電子顯微鏡（TEM）（Hitachi H-90000UHR），原子力學顯微鏡（AFM）（Bruker Nano Scope V Dimension Icon），傅里葉變換紅外（FT-IR）（Varian 7000FT-IR），拉曼光譜（NRS-7000），氣體吸附（BELSORP18PLUSUS-HT）和溫度程序解吸質量光譜法（TPD-MS）（Shimadzu GC / MS-QP2010 Plus）。

　　加入魔術G后，電池的陽極和陰極都顯示出更強的性能和充電速率。

　　與其他非魔術G鋰離子電池相比，向陽極添加0.5％（重量）添加量可使充電容量保持率在6次循環(huán)時從56％提高到77％，10次循環(huán)時的充電容量保持率從7％提高到45％。

　　在陰極中，加入相同量的Magic G，并且在6次循環(huán)中，放電容量率從43％增加到76％，并且在10個循環(huán)中從16％增加到40％。

　　全電池的充放電速率

　　通過添加石墨烯海綿，兩種電極的高速率的循環(huán)性得到改善。

　　除了更顯著的改進之外，添加Magic G的電極電子傳導性也增加了，電解質的吸附，并降低了活性材料的電荷轉移電阻。

　　生產的蜂窩狀材料，作為下一代鋰離子電池的添加劑具有很大的潛力，因為它們既具有高電荷密度又具有良好的速率性能，因此解決了許多難題。

　　添加劑引入電極后的特性，對于用于電動車輛的鋰離子電池是必不可少的。錢成還期待進一步優(yōu)化未來的結構，以獲得更高的性能。