1. 首页
  2. 碳材料

三星SDI以碱液“温煮”石墨,实现电池快充

对于锂离子电池负极活性材料而言,虽然有许多具有高比容量的材料可供选择(如Si、Sn、Sb和金属氧化物),但是由于石墨的放电平台很低,安全性较高,其还是最常用的锂电负极材料。然而许多大型用电器(电动汽车和混合动力汽车等)对负极提出了更高的要求,如能量密度高、充电倍率高、寿命长以及安全性高等,其中以节省充电时间倍率充电为首要。石墨可用于高倍率放电,却不适用于高倍率充电。石墨负极在充电过程中,锂离子只能从边缘嵌入石墨层间,而石墨层间距较小且锂离子扩散速度有限,造成电池充电速率(嵌锂)低下;在快速充电过程中金属锂会沉积在石墨表面形成枝晶,刺穿隔膜,从而造成短路而起火。

如果在石墨表面形成一些微孔,这样就可以缩短锂离子的扩散距离,进而提高充电效率。本文作者从这个角度出发,用碱浸泡法处理石墨,制备出表面有约深40nm的纳米孔的碱蚀石墨电化学测试证明,碱刻蚀后的石墨其倍率充放电性能得到显著提升。

三星SDI以碱液“温煮”石墨,实现电池快充
三星SDI以碱液“温煮”石墨,实现电池快充
三星SDI以碱液“温煮”石墨,实现电池快充

图1. (a,b)原始石墨;(c,d)沥青包覆石墨;(e,f)碱蚀石墨;(g,h)碱蚀煅烧石墨的SEM图像.

随后,作者组装了全电池,研究碱刻蚀后材料的电化学性能。在1/3C低倍率下,碱蚀石墨和沥青包覆石墨的稳定性并没有很明显的差别,这也从侧面说明原始石墨在低倍率下是一种很好的负极材料。但是在2.5C倍率下,不同处理方法所带来的影响就很明显了,稳定性最好的是碱蚀石墨,循环100次后的容量保持率为96.7%,而其它处理石墨都出现明显的容量下降。对此作者也给出了解释:石墨表面纳米尺寸的孔起到锂离子嵌入石墨层间入口的作用。相比之下,碱蚀煅烧石墨却没有如此好的循环稳定性,作者认为是微米尺寸的孔破坏了周围的石墨层状结构,从而使这种孔不能起到上述入口作用。另外,当电流恒定时,容量呈线性增长。在2.0C、2.5C和4.0C等高倍率条件下,碱蚀石墨在恒流区持续的时间长于原始石墨,这也说明经碱处理后石墨的倍率性能得到了改善。随后作者研究了2.5C电流密度下循环100次后的SEM图,结果发现原始石磨的表面出现明显的锂沉积,而碱刻蚀后的石墨表面相对干净,说明碱处理后的石墨有利于电池大倍率充放,实现锂离子的快速嵌入和脱出。

 

三星SDI以碱液“温煮”石墨,实现电池快充

图2. (a,b)各个样本的循环性能和倍率性能,其中所有的放电倍率都是1/3C;(c)原始石墨和(d)碱蚀石墨在快速充电(2.0C、2.5C、4.0C)下电流以及容量与时间的曲线

 

三星SDI以碱液“温煮”石墨,实现电池快充

图3. 原始石墨和碱蚀石墨在2.5C下循环100次后的SEM图像

 

本文作者以温和的碱处理石墨,在石墨表面引入了大量的纳米孔,从而改善了石墨的高倍率性能,该方法简单且以商业化。然而对于当今各种类型用电器的发展,仅仅有高倍率性能是远远不够的,高容量、高能量密度和高安全性也是要达到的目标,所以新能源事业的发展任重而道远,需要各类从业者的共同努力,才能进一步推动社会的发展。

制备方法:

碱蚀石墨:首先把50g颗粒尺寸为20μm的人造石墨粉与20wt% KOH溶液混合,在80℃下,以250rpm转速搅拌24h,然后用去离子水真空过滤清洗混合物,知道滤液接近中性。接着把石墨浆液放在80℃的真空烘箱中干燥12h。

沥青包覆石墨:把石墨粉与沥青混合,使其中碳含量为75%(石墨:沥青=100:6,质量比),然后把混合物放入搅拌器中以2000rpm搅拌2min,接着把混合物在300℃下煅烧1h,然后升至1000℃保持2h,升温速度为5℃/min,最后用400目筛筛分。

碱蚀煅烧石墨:碱蚀处理的方法同碱蚀处理石墨。接着在800℃下煅烧6h,升温速度为10℃/min。然后用去离子水反复的清洗产物,最后在80℃下干燥12h。

JaeHyun Shim, Sanghun Lee; Characterization of graphite etched with potassium hydroxide and its application in fast-rechargeable lithium ion batteries; J. Power Sources, 2016; DOI:10.1016/j.jpowsour.2016.05.094

 

通讯作者:Sanghun Lee,韩国嘉泉大学,生物纳米技术系

邮箱:sanghunlee@gachon.ac.kr

 

本文由能源学人编辑TSAWP发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/12973.html

参考文献:

联系我们

15521390112

邮件:nyxrtg@163.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code