石墨烯氣凝膠助力鋰硫電池突破性能 減輕電池重量且快速充放電

5月9日,記者瞭解到,瑞典查默斯理工大學的研究人員最近公佈瞭一項具有希望的突破性成果,他們利用石墨烯海綿的特殊結構,改進瞭鋰硫電池的正極及電解質性能。為瞭滿足未來電力的需求,新的電池技術將是必不可少的。其中一個有力候選者就是硫鋰電池,它的理論能量密度是鋰離子電池的5倍以上。

石墨烯氣凝膠助力鋰硫電池突破性能 減輕電池重量且快速充放電

這項成果的關鍵在於石墨烯氣凝膠,它是一種由還原的氧化石墨烯制成,具備多孔、類似海綿結構的物質。在這項實驗中,研究人員的設想是讓它在電池中充當獨立電極,以便更全面、高效地利用硫。

據瞭解,石墨烯氣凝膠是一種高強度氧化氣凝膠,具有高彈性、強吸附的特點,應用前景廣闊。據介紹,”碳海綿”具備高彈性,被壓縮80%後仍可恢復原狀。它對有機溶劑具有超快、超高的吸附力,是迄今已報道的吸油力最高的材料。現有的吸油產品一般隻能吸自身質量10倍左右的液體,而”碳海綿”的吸收量是250倍左右,最高可達900倍,而且隻吸油不吸水。”大胃王”吃有機物的速度極快:每克這樣的”碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機物。這讓人想到用它來處理海上的漏油,”可以把它們撒在海面上,就能把漏油迅速地吸收進來,因為有彈性,吸的油能夠被壓出來回收利用,’碳海綿’也可以重新使用。”科研人員表示。

石墨烯氣凝膠助力鋰硫電池突破性能 減輕電池重量且快速充放電

之前2011年的記錄是每立方厘米0.9毫克,後來在同一年被0.18毫克每立方厘米的數據刷新……現在這一紀錄被浙江大學的Gao Chao教授(查瞭一下國內相關新聞,教授名字叫高超,吐槽名字你就輸瞭)所制備的碳氣凝膠打破,其密度僅為0.16毫克每立方厘米。

不同於一般制備氣凝膠的溶膠凝膠法,他們用冷凍幹燥法將納米碳纖維和石墨烯的混合溶液幹燥,得到這種由碳構成的海綿狀材料。

這種材料具有極高的彈性,被壓縮後可以彈回原狀,同時還具備極高極快的吸附能力,每一克氣凝膠可以以68.8克每秒的速度吸收儲存至多高達900克的油。顯然,這玩意是用來吸附回收海洋中石油污染的最佳神器。

當然,科學傢們還在努力研究這玩意的其他用途,比如電能儲存、隔熱、用作催化劑的載體之類的

目前,實驗室正在對這一材料的吸附性能進行進一步的應用性研究。科研人員說,”碳海綿”還可能成為理想的相變儲能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復合材料。不過,這一新生材料就如呱呱墜地的嬰兒,科學傢還很難準確預計其應用領域與前景,還得依靠社會以及產業界的想象力,讓這個新材料走出實驗室,實現應用價值。

傳統的電池由四個部分組成。首先,有兩個覆蓋有活性物質的支撐電極,即正極和負極。在它們之間存在著電解質,通常呈液態,允許離子來回轉移。第四個組件是隔膜,它作為一個物理屏障,防止兩個電極之間的接觸,同時仍然允許離子的轉移。

研究人員在此之前曾嘗試讓正極和電解質一體化,結合成一種液體,即所謂的“catholyte”*。這一概念有助於減輕電池的重量,並能提供更快的充電速度和更好的供電能力。現在,隨著石墨烯氣凝膠的發展,這一概念被證明是可行的,並提供瞭一些非常有前景的實驗結果。

石墨烯氣凝膠助力鋰硫電池突破性能 減輕電池重量且快速充放電

“石墨烯氣凝膠的多孔結構是關鍵。它吸收瞭大量的電解質,使得那個區域內有足夠高的“硫”密度,使“catholyte”的概念可以成立。這種半液態的“catholyte”能夠允許硫在沒有任何損失的情況下來回循環,也不會因為溶解而丟失——因為它本身就已經溶解在其中瞭,”CarmenCavallo說。

為瞭充分發揮電解質的作用,研究人員還在隔膜中也加入瞭部分電解質溶液,最大限度地提高瞭電池的硫含量。

相关文章