新一代高容量,长寿命锂离子电池负极—“红磷-石墨烯”纳米复合材料

锂离子电池作为高能量密度的储能设备被广泛的应用于手机,笔记本电脑等便携式电子产品中。而时下引人注目的电动汽车更是以锂离子电池作为主要动力来源。这对锂离子电池的性能提出了更为苛刻的要求:更高的能量密度,更久的使用寿命,更宽的工作温度窗口。而现今商业化的锂离子电池负极材料–石墨,因其较低的理论容量(~ 370m Ah/g)很难满足这些要求。因此世界各国相应领域的科研工作者都在寻找下一代锂离子电池负极材料。

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针对这一问题,最近美国宾夕法尼亚州立大学(The Pennsylvania State University)王东海教授领导的,以于昭新、宋江选为主的科研梯队发明了一种新型锂离子电池负极材料:“红磷-石墨烯”纳米复合材料。该种材料是由红磷和石墨经球磨制备得到。红磷化学稳定性高,廉价易得,而且环境友好。其作为锂离子电池负极材料的理论容量可达2600 mAh/g,7倍于商用石墨电极。 石墨/石墨烯因其极高的电子电导率被引入到该体系中以提升纳米复合材料整体的电子电导率。在高速球磨过程中,微米级的红磷颗粒被打碎至纳米级。石墨在球磨过程中剥离为大比表面积的石墨烯。经过长时间机械力作用,石墨烯相互搭接形成一个紧密结合的三维导电网络,而纳米级红磷颗粒均匀分散在该网络中。红外光谱(Infrared Spectroscopy)测试显示,红磷和石墨烯以“磷-氧-碳 (P-O-C)”的化学键形式结合在一起,这又为该材料出众的电池性能提供了保证。在室温下,该纳米复合材料的放电容量可达1400mAh/g, 4倍于现行商用化锂离子电池负极材料–石墨。 经过300周的循环,放电容量仍然能保持在60%以上。高温环境(60°C)对于现行商用锂离子电池仍是很大的挑战。而该种材料,在60°C下,放电容量可进一步提升至1650mAh/g。经过200周循环,放电容量保持率可在70%以上。

高容量,长寿命,价格低廉的原材料,适宜工业化生产的合成方法,这些因素都促使新型“红磷-石墨烯”纳米复合材料成为下一代锂离子电池负极材料的选择。

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