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(lái)源:中國(guó)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(guó)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(yáng)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(zhǎng)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(wèn)題。
鋰離子電池的物理基體是由多孔聚合物材料分隔開(kāi)的兩個(gè)電極，即陽(yáng)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(yáng)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(lái)更頻繁地充電的原因。
現(xiàn)在，使用石墨烯可以延長(zhǎng)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(yáng)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�？茖W(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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