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华人科学家用新型石墨烯材料作为锂负极载体 大大改善了电池循环寿命

作者:中国储能电站网 来源:能见Eknower 时间:2019-04-11 浏览:

最近,斯坦福大学崔屹教授课题组,研究了一种新型褶皱石墨烯笼载体(WGC)用于金属锂负极,WGC提供优异的机械强度,具有更高的离子电导率和质量更好的固态电解质界面(SEI)。

使用冷冻电镜表征发现,石墨烯笼载体表面均匀稳定的SEI界面可以防止金属锂与电解液直接接触。在0.5mA/cm2电流中,在碳酸酯电解液从1-10mAh/cm2容量区间中表现出了高达98.0%的库伦效率,并且使用预先存储锂的WGC电极与磷酸铁锂配对后,大大改善了电池的循环寿命。相关研究成以“Wrinkled graphene cages as hosts for high capacity Li metal anodesshown by cryogenic electron microscopy”为题发表在Nano Lett.上。

提起崔屹,在纳米学术界几乎无人不知。崔屹是顶级学术期刊的常客,现为美国斯坦福大学材料科学与工程系终身教授,主要从事纳米材料在能源、光伏、拓扑绝缘材料、生物和环境领域的研究工作。目前崔屹已培养近60位博士和博士后,在世界范围培养了40多位教授。

崔屹是美国材料学会会士、美国电化学会会士、英国皇家化学学会会士,世界知名科学期刊《纳米快讯》副主编。已发表论文400多篇,包含《Science》《Nature》等全球顶级杂志,被引用超过12万次,H因子为164,授权国际专利40余件。

1976年,崔屹出生于广西省来宾市。父母都是教师,自小学习成绩优异。

1993年,年仅17岁的崔屹从来宾市第二中学毕业,考入中国科技大学化学系。

1998年本科毕业后,他顺利通过托福考试,获得了美国哈佛大学全额奖学金及化学材料硕博连读资格,师从材料科学家查尔斯·理博教授(Charles M. Lieber),研究课题为纳米技术,包括合成半导体纳米线和纳米传感器的应用。

2001年,崔屹获得美国材料研究学会金奖博士研究生称号。2002年,提前获得哈佛大学博士学位,同年获得美国纳米科技杰出青年科学家奖。

2002年,在加州大学伯克利分校继续攻读博士后,与保罗·阿里维萨托教授(Paul Alivisatos)共同工作,主要研究领域为电子和装配使用交替纳米晶。

2003年获美国“米勒”青年科学家奖,被评为美国“十大杰出青年科学家”。2004年,入选《麻省理工科技评论》评选的世界顶尖100名青年发明家。

2005年,进入斯坦福大学材料科学与工程系任教,先后担任助理教授、副教授、教授,2010年获终身教职。

2014年,美国汤森路透(ThomsonReuters)集团在线公布了全球材料科学领域“高被引科学家(Highly-CitedResearchers)”名单,崔屹排名第一,被誉为“世界最具影响力的科学头脑”。

2017年6月,刚过40岁的崔屹获得布拉瓦尼克青年科学大奖之物质科学与工程技术奖。布拉瓦尼克青年科学家奖旨在表彰美国最杰出的青年科学家,只接受美国顶级研究院所和实验室提名。

2017年冷冻电镜促成了3位科学家获得了诺贝尔化学奖,受此启发,崔屹开始将冷冻电镜用于电池研究。他想借此的看到第一个答案便是,金属锂的枝晶和界面膜在原子层面到底是什么样的。

锂的枝晶与锂电池的安全紧密相关,充电的时候如果控制得不好,金属锂的枝晶会长出来,像一棵树长出树枝,枝晶会捅破电池正负极之间的隔膜,造成短路,甚至引发爆炸。

固体电解质界面膜(SEI)是负极材料和电解液接触后生成的反应物,厚度约为50个纳米左右。这层膜影响着电池的稳定性,决定着循环使用寿命到底是1000次还是10000次。

如果能看清金属锂枝晶的原子层面,知道界面膜的结构,就能进一步解决以金属锂为负极材料的锂电池的安全问题,并使其寿命更长。

但这个问题一直困扰学界半个世纪之久。金属锂的熔点低,使用电子显微镜观察时,电子束会将它融化,“打出一个洞”,就会破坏了原本的结构。直到冷冻电镜的应用,终于解决了这个问题。

由于锂电池的最高理论容量(3860mAh/g)和最低电极电位(相对于标准氢电极为-3.04V),长期以来被认为是电池负极的“圣杯”。崔屹也一直视金属锂为一种未来的电池负极材料,因为金属锂的能量密度高,如果解决了安全性等问题,可以将现在电动车电池的储能翻倍。

然而,在充放电过程中,锂金属高化学反应性和大体积波动而导致低库伦效率和低安全性,由于锂金属的无主体特性,在循环过程中体积膨胀导致固态电解质界面(SEI)破裂。尽管已经采取了一些有效的策略,这些方法未能解决锂金属的无主体性质,这意味着锂金属沉积和剥离过程中没有任何物理限制。

近期,学术界引入了锂金属的人造“主体”的想法,这些结构能够减少循环期间的电极体积变化和局部电流密度,从而使充-放电期间的过电势更低,并且SEI更稳定,但还是面临着“主体”结构的无定型导致机械性能差,阻抗更高和难以承载高于2mAh/cm2容量等限制。因此,研究能够既能提高库伦效率,又能承载更高载量的主体结构,代表着一个非常重要的方向。

崔屹课题组研究出了这种新型褶皱石墨烯笼载体用于金属锂负极,在低面积容量下,锂金属优先沉积在石墨烯笼内,随着容量的增加,锂金属致密且均匀地沉积在石墨烯笼之间的外部孔隙中,没有枝晶生长或体积变化。石墨烯笼载体提供优异的机械强度,并具有更高的离子电导率和质量更好的固态电解质界面,可以防止金属锂与电解液的直接接触。在0.5mA/cm2电流中,在商品化碳酸酯电解液从1-10mAh/cm2容量区间中表现出了高达98.0%的库伦效率,在使用预先存储锂的石墨烯笼载体电极与磷酸铁锂配对后,电池循环寿命大大改善。

崔屹认为目前锂离子电池的主流正极是钴酸锂、磷酸铁锂或三元材料,负极材料主要是石墨,但其能量密度是有限,最多约为300Wh/kg。接下来发展第一步是将硅取代石墨作为负极材料,可将能量密度提升至400Wh/kg;第二步,负极材料从硅换为金属锂,能量密度可达到500Wh/kg;第三步,正极材料改为硫,负极材料为金属锂,电池能量密度可达到600Wh/kg。

崔屹表示,能量密度达到500Wh/kg时,特斯拉一次充电可以开800到1000公里,比烧油的车跑得还远。 

关键字:锂电池

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