俄羅斯科學(xué)家發(fā)現(xiàn)提高鋰離子電池容量和快速充放電方法
時(shí)間:2018-01-03 13:26來源:中國有色網(wǎng) 作者:綜合報(bào)道
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俄聯(lián)邦研究中心“俄科院西伯利亞分院克拉斯諾亞爾斯克科學(xué)中心”下屬的基連斯基物理所與西伯利亞聯(lián)邦大學(xué)和國家研究型技術(shù)大學(xué)“莫斯科鋼鐵合金學(xué)院”的科學(xué)家提出，使用石墨烯與單層二硫化釩薄膜的化合物作為鋰離子電池的陽極材料，將使電池的容量和充電-放電速度得到提高。該研究結(jié)果已發(fā)表在《The Journal of Physical Chemistry》雜志上。
現(xiàn)在，鋰離子電池是許多設(shè)備（從手機(jī)到電動(dòng)汽車）最普及的電源。與傳統(tǒng)電池相比，這些電池的比容量高、使用壽命長和安全性好。盡管有這些優(yōu)勢(shì)，增加電池的容量和提高充電速度仍是亟需解決的問題。
鋰離子電池的物理基體是由多孔聚合物材料分隔開的兩個(gè)電極，即陽極（正）和陰極（負(fù)）。充電時(shí)，電流把鋰離子從陰極移動(dòng)到陽極，而電池使用時(shí)，鋰離子向相反方向移動(dòng)。當(dāng)電池電量耗盡時(shí)，電極之間鋰離子的移動(dòng)能力很低，這就是為什么智能手機(jī)買了幾個(gè)月后，需要比原來更頻繁地充電的原因。
現(xiàn)在，使用石墨烯可以延長電池的壽命。石墨烯是一種獨(dú)特的二維材料，因發(fā)現(xiàn)該材料在2010年授予了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，它的比表面積大、導(dǎo)電性和彈性好。石墨烯可廣泛用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，包括儲(chǔ)能設(shè)備。
俄科學(xué)家研制的復(fù)合材料是由兩種異質(zhì)層（石墨烯和二硫化釩）組成的二維結(jié)構(gòu)，這種薄片的厚度大約為1納米。研究證實(shí)，不僅可以把鋰離子限制在該材料的表面上，而且還可以約束在層間的空間里，最終結(jié)果導(dǎo)致材料的高比容量。
科學(xué)家估計(jì)，該復(fù)合材料的正極材料容量可達(dá)569mAh/g，比現(xiàn)在鋰離子電池最常用于陽極的石墨要高出幾乎一倍。理論計(jì)算表明，石墨烯和釩的化合物不僅保證電子轉(zhuǎn)移的效果好，而且確保了材料的機(jī)械強(qiáng)化。
除了容量之外，該復(fù)合材料關(guān)鍵的特點(diǎn)是鋰離子在材料內(nèi)部的遷移率高。這就可以快速給電池充電或者給大功率設(shè)備供電。此外，離子的高遷移率能夠使電池在低溫下正常工作。
在研究中科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)另一個(gè)重要的特征，在材料充填鋰離子后，也能夠在復(fù)合材料里保持石墨烯獨(dú)特的電子特性。科學(xué)家認(rèn)為，這種效應(yīng)為控制石墨烯基納米材料的性能提供了新的可能。這項(xiàng)研究得到了俄聯(lián)邦教育科學(xué)部和俄羅斯基礎(chǔ)研究基金會(huì)的資助。
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