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石墨泡沫,开辟高能锂电新方向

近日,韩国忠南大学和日本东京都立大学科学家以中间相沥青为原材料联合发明了一种石墨泡沫(GFms)。当用作锂离子电池负极时,其倍率性能异常优异,而且化学扩散系数(3.2× 10-12– 2.0×10-9cm2/s)比目前商业化石墨高出两个数量级。利用该石墨泡沫组装的电池非常有希望应用在高功率电动设备领域。

石墨泡沫制备过程如下:将6g 聚乙烯醇PVA分散在52mL1M NaOH中,在140℃温度下搅拌10min。待溶液冷却后,将丙烯酸AAc15 mL),戊二醛GA1 mL, 乙二醇二甲基丙烯酸酯EGDMA 1.5 mL)和过硫酸钾KPS(以2 wt%质量比分散在水溶液中;1 mL)加入到该溶液中,搅拌3min,形成凝胶溶液。然后将26g预处理过的中间相沥青(以1/min的升温速率在300℃下空气中煅烧2h)和凝胶溶液以122w/w%质量比均匀混合,并搅拌1h。所得到的混合溶液在60℃条件下搅拌处理9h后再在140℃条件下干燥13h,得到水凝胶中间相沥青。在氮气氛围下,以5/min的升温速率在1000℃下煅烧1h得到泡沫碳。最后,在氩气氛围下,以10/min的升温速率在2700℃下煅烧1h将泡沫碳石墨化后得到石墨泡沫。

石墨泡沫,开辟高能锂电新方向

1.石墨泡沫的制备流程。

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2.石墨泡沫在低倍SEM(a)、高倍SEM(b)以及XRD图谱(c)

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3.(a)0.2C倍率下,石墨泡沫前两次循环的充放电曲线;(b) 石墨泡沫在不同倍率下的充放电曲线。

表征测试发现,石墨泡沫GFms的粒径为8.79±0.41μm,孔隙率为56%,比表面积为6.75m2/g,热导率为60.61±0.27W/mK,表观密度0.74g/cm3。在0.005 V-2 V (vs. Li/Li+)电压范围内,0.2C倍率下,材料的首次脱锂量(放电容量)和库伦效率分别为359.9 mAh/g88.9%30C倍率下,GFms的脱锂量仍高达345.3mAh/g,是0.2C倍率下容量的92%。随着电流密度的大幅度提升,材料的脱锂量仅略微减少。

采用恒电流间歇滴定技术,依据公式(1)计算得到的GFms的化学扩散系数为3.2×10-12 – 2.0×10-9 cm2/s,比目前商业化石墨高出两个数量级,这也是GFms具有极好的倍率性能原因。

公式(1

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