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5分钟就能充满电,科学家利用沥青将电池充电速度提高20倍

日期:2017-10-12 09:32
最近,美国莱斯大学(Rice University)的一项研究显示,在大容量锂电池中加入一点沥青能够将充电速度提高 10 到 20 倍。
图 | 利用电子扫描显微镜,左图为拥有沥青,石墨烯纳米碳管以及金属锂的正极材料;右图为不含有沥青的正极材料。这种材料由美国莱斯大学研制,并能够被用来制造充电速度为锂电池 20 倍的高容量电池。
莱斯大学化学家 James Tour 的实验室研制出了一种利用沥青制造的多孔碳材电池阳极材料。这种阳极材料在 500 多次充放电循环后仍然能够保持稳定。由于这种材料能够承受高达 20 毫安每平方厘米的电流密度,利用这种材料的电池将能够实现需要高功率密度的快速充放电。
James Tour 表示:“利用这种材料,我们将能够制造出超大容量的电池。不过,更令人兴奋的一点是这种电池将能够在 5 分钟内完全充满电,而不像其他电池一样需要 2 小时及以上才能充满。”
过去,实验室的研究课题是利用天然沥青来吸收天然气中的温室气体。如今在研究电池时,研究人员将这种沥青与导电的石墨烯纳米带混合,并利用电化学沉淀方法将金属锂电镀到这种混合物中。
接下来,研究人员利用这种正电极材料与硫化碳负电极材料制造出了可供测试的电池。经过实验,这种电池拥有高达 1322 瓦特每千克的功率密度,以及高达 943 瓦时每千克的电能密度。
实验结果同时展示出这种电池的另一个好处:电池中的碳阻止了锂结晶的形成。这些锂结晶会不断占据电解质的空间。当结晶过长时,它们有可能将电池短路,造成火灾甚至爆炸。但是,沥青中的碳阻止了锂结晶的形成。
在此实验室过去的一项研究中,研究人员发现利用石墨烯以及碳纳米管制造的正电极材料也能够阻止锂结晶的形成。然而,Tour 表示这种新的材料更加简单。
Tour 继续表示:“虽然利用这两种正电极材料制造的电池容量基本都达到了锂电池的理论最大容量,新的沥青碳材料能够在同样的面积中包含更多的金属锂,使这种新电池生产更加简便以及便宜。与上一种电池相比,这种新电池的制造将不会包含化学气相沉积步骤,电子束蒸发步骤,并不需要利用石墨烯制造碳纳米管。这样一来,新电池的制造过程将大大简化。”
由于金属锂拥有极高的比容量以及极低的电化势,它一直是锂电池中正电极的最佳选择。但是,锂电极带来的锂结晶问题一直是可充电电池产业的一个重大挑战。在这项研究中,我们利用价格低廉的天然沥青制造的多孔碳材作为金属锂的基础。这种多孔碳材拥有高达 3000 平方米每克的表面积,使金属锂能够在这些表面上形成碳锂材料(Asp-Li)。
石墨烯纳米碳管将能够在高电流密度的情况下增加电极的导电性,形成 Asp–GNR–Li 材料。这种材料展现出了惊人的性能:5 A/gLi (1.3C) 到 40 A/gLi (10.4C),并拥有>96% 的库伦效率。在 5 A/gLi (1.3C) 的情况下,电池能够稳定进行 500 多次充放电循环。电池的区域容量在最高的 20 mA/cm2 充放电率条件下达到了惊人的 9.4 mAh/cm2,这样的结果是普通锂电池的 10 倍,使这种电池能够实现超快速充电。利用 Asp–GNR–Li 正极材料以及硫化碳负极材料制造的电池拥有高达 1322 瓦特每千克的功率密度,以及高达 943 瓦时每千克的电能密度。
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