锂离子电池新进展:充放电只需20秒

随着手机、笔记本等现代数码产品的普及,锂离子电池对于我们来说已不再陌生。它有着能量高、使用寿命长、质量轻等一系列优点。但是,锂离子电池每次充放电时间不够快,这一特点也大大地限制了它更广泛的应用,譬如对大功率有特殊需求的领域。

近日,美国莱斯大学的Ajayan教授课题组研制出具备超快速充放电、超长循环周期的锂离子电池正极材料。该正极材料的成功研制基于一种新型材料——二氧化钒(VO2)石墨烯(Graphene)杂化带的应用。这种材料实现了锂离子电池正极超快速充放电的重大突破,有望在大功率锂离子电池领域得到应用。

二氧化钒有着特殊的结构,有很高的容量,作为锂离子正极材料的研究已经很久。但是,因为是氧化物,导电性很差,造成了电池充放电过程相当缓慢,而且电池寿命衰减很快。被称为“超级材料”的石墨烯,是一种原子厚度的新型碳材料,具备超高的导电性和柔韧轻盈性。来自Ajayan课题组的Shubin Yang博士和博士研究生Yongji Gong想到通过石墨烯来弥补二氧化钒自身导电性的不足,将两种材料恰当的杂化,从而实现了二氧化钒作为正极材料的最佳性能。

这种杂化带的制备所需原料为五氧化二钒(V2O5)和氧化石墨烯,便宜易得,基于简单的水热过程,将二者还原成二氧化钒带和石墨烯带,很容易实现大规模量产。杂化带只有10nm厚,600nm宽,长度在几十个微米左右,覆盖在石墨烯片层上成网状杂化带。作为正极材料时,当二氧化钒比例达到84%时,电池的容量达到204 mAh/g。在1000次循环之后,该电池的容量仍保持在首次容量的90%以上。据称这是目前报道最好的性能之一。而且,每次充放电循环只需要20秒的时间,远远低于传统电池的充放电时间。在这点上,可以和以充放电快著称的超级电容器(Supercapacitor)相媲美。据报道,它极有可能是迄今为止世界上充放电最快速的锂离子电池正极材料。该研究工作发表在Nano Letters期刊上。