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氧化鋁包覆石墨材料，提升鋰離子電池快充能力

時間:2019-03-23 18:20來源:新能源Leader 作者:新能源Leader
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       電動汽車的發(fā)展面臨著兩大瓶頸：1）續(xù)航里程；2）充電速度，近年來隨著電池能量密度的不斷提升和電池PACK技術(shù)的不斷進步，電動汽車的續(xù)航里程也在不斷進步，例如廣汽最近推出的AionS新能源汽車其NEDC續(xù)航里程就達(dá)到了510km，初步解決了里程焦慮問題。然而充電速度的進步卻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于能量密度的提升速度，究其原因主要是現(xiàn)有的石墨負(fù)極動力學(xué)條件較差，在充電速度過快的情況下會造成金屬鋰在負(fù)極表面析出，從而加劇界面的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致循環(huán)性能衰降速度急劇增加，嚴(yán)重影響動力電池的使用壽命。
 
       為了解決石墨負(fù)極動力學(xué)條件差的問題，近日韓國漢陽大學(xué)的DaeSikKim（第一作者）和HansuKim（通訊作者）等人通過在石墨表面包覆一層無定形Al2O3的方法顯著提升了石墨材料的快充能力，即便是在4000mA/g的電流密度（約11C充電，5min可完成充電）下仍然能夠保持337.1mAh/g的容量，相當(dāng)于100mA/g電流密度下容量的97.2%，顯著提升了鋰離子電池的快充能力。
 
       無定形Al2O3是一種陶瓷涂層隔膜常用的無機氧化物材料，能夠顯著改善電解液的浸潤性，因此DaeSikKim認(rèn)為通過在石墨表面包覆一層無定形Al2O3也能夠顯著改善石墨與電解液之間的浸潤性，從而達(dá)到提升石墨負(fù)極倍率性能的目的。
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       Al2O3包覆石墨（Al2O3@石墨）是制備方法是將Al(NO3)3·9H2O與石墨在乙醇溶液中分散，然后在65℃下將乙醇蒸干，并在600℃下熱處理3h。通過上圖的掃描電鏡和透射電鏡觀察石墨顆粒的形貌，以及通過EDS分析石墨表面的元素分布我們能夠看到在石墨的表面成功的覆蓋了一層Al2O3。
 
       浸潤性是衡量一款電極材料的重要指標(biāo)，為了分析不同Al2O3含量的Al2O3@石墨材料的浸潤性，作者采用了上浮率這一指標(biāo)對不同石墨材料在電解液中的浸潤性進行了分析（測試結(jié)果如下圖所示，數(shù)值越小則表示浸潤性越好），從圖中能夠看到隨著氧化鋁包覆層增加，石墨材料的浸潤性也到了明顯的提升。
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       下圖為幾種不同石墨材料的電化學(xué)性能測試結(jié)果，從圖中能夠看到?jīng)]有包覆的石墨材料可逆容量為351.03mAh/g，首次充放電庫倫效率為94.6%，在加入Al2O3包覆后，石墨材料的容量會出現(xiàn)相應(yīng)的降低，1wt%添加量的石墨可逆容量為344.85mAh/g，3wt%添加量的材料可逆容量為340.29mAh/g，5wt%添加量的石墨材料為339.04mAh/g，10wt%添加量的石墨材料為318.22mAh/g，同時隨著Al2O3的添加量的增加，石墨材料的庫倫效率也有相應(yīng)的降低。從下圖b我們能夠看到雖然加入Al2O3后會導(dǎo)致材料的可逆容量的降低，但是卻能夠提升材料的循環(huán)性能。
 
       Al2O3包覆的真正優(yōu)勢體現(xiàn)在材料快充性能的提升上，從下圖c能夠看到即便是在4000mA/g（約為11C，5min左右完成充電）的大倍率下，1wt%包覆量的Al2O3@石墨材料的可逆容量仍然可達(dá)337mAh/g，約為其100mA/g電流密度下可逆容量的97.2%，而沒有包覆的石墨材料的在4000mA/g電流密度下的可逆容量為329.8mAh/g，為100mA/g電流密度下容量的94%。恒流充電容量占比也是衡量材料倍率性能的重要指標(biāo)，從下圖d我們能夠看到在4000mA/g的電流密度下沒有包覆處理的普通材料恒流充電容量占比僅為8%，而經(jīng)過1wt%Al2O3包覆處理后的石墨材料的恒流充電容量占比則達(dá)到了16%，表明Al2O3包覆后顯著改善了石墨材料的快充能力。
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       為了驗證Al2O3@石墨材料在實際電池中的效果，作者以硼摻雜LCO為正極，分別以普通石墨和1wt%Al2O3@石墨為負(fù)極制備了全電池，從下圖a和b我們對比電池的恒流充電容量和電池的充電極化情況能夠看到，在全電池中Al2O3@石墨材料也能夠顯著的提升石墨材料的快充能力。下圖c為兩種負(fù)極電池的恒流充電容量與恒壓充電容量的占比情況（恒流充電容量越大則充電時間也會越短），從下圖c能夠看到Al2O3包覆后顯著提升了石墨材料的快充性能。從下圖b我們可以看到，在10C倍率下充電10min，Al2O3@石墨材料電池的充電容量達(dá)到了84%，而普通石墨材料的充電容量僅為77%。
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       DaeSikKim通過在石墨表面包覆一層無定形Al2O3，改善了石墨／電解液界面的浸潤性，從而有效的改善了石墨材料的嵌鋰動力學(xué)特性，提高了石墨材料的快充能力，對于提升動力電池快充性能具有重要的意義。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 鋰離子電池 快充 氧化鋁 石墨材料
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