石墨烯在柔性锂离子电池中的应用及前景
2019-03-07 10:03:00
为了满意日益增长的对电子产品小型化、多样性和可变性的需求, 柔性可穿戴的便携式电子产品成为未来开展的趋势。近年来,可卷绕式显示屏的面世及电子衬衫和卷屏手机等柔性电子产品概念的提出，引发了科研作业者对柔性电子技能的研讨热潮。柔性电子技能行将带来新一轮电子技能,并将对社会生活方式及习气发生性影响。柔性电化学储能材料不只需求接受电池、电容器材料自身在电化学过程中引起的体积改变,一起还需求器材在机械变形条件下也可以正常作业。
石墨烯基柔性锂离子
电池材料开展现状
柔性锂离子电池是锂离子电池范畴的新式研讨方向之一, 现在仍处于试验室研讨阶段。开展柔性锂离子电池的首要困难在于怎么取得高功用的柔性电极极片。
石墨烯也具有很高的电导率和热导率、优异的电化学功用以及易功用化的表面, 一起简单加工构成柔性薄膜。因而,石墨烯被认为是一种极具潜力的先进柔性电化学储能材料。 石墨烯在可弯折柔性锂离子电池中的运用首要包含2个方面:
石墨烯作为导电增强相, 凭借高分子、纸、纺织布供给柔性骨架, 以进步柔性极片的电子导电特性, 取得复合导电基体, 并担载活性物质;
石墨烯或其复合材料直接作为柔性基体或柔性电极。石墨烯/柔性基体复合结构
石墨烯具有很高的电子电导率, 可选用喷涂、滋润、涂覆等不同办法, 将石墨烯附着于各类柔性基底上, 运用基底供给柔性支撑,供给力学功用,石墨烯供给导电网络, 构成了石墨烯/柔性基体复合结构。常见的基体材料, 如高分子、纸、纺织布等, 都可制备这种类型的电极。
Cheng研讨组运用大孔径和高孔隙率的滤纸作为过滤介质, 选用真空抽滤法, 以石墨烯涣散液作为滤液, 得到了石墨烯/纤维素复合纸。在抽滤过程中,石墨烯进入滤纸内部, 受纤维素纤维的毛细效果力和表面官能团的一起效果而结实结合在其表面, 而且持续堆积填充在由纤维素纤维构成的三维网状孔隙内,终究构成一种具有石墨烯和纤维素双相三维交错结构的石墨烯/纤维素复合结构。在这种双相三维交错结构中, 纤维素纤维作为柔性三维骨架,为复合结构供给了杰出的力学功用和离子传输通道。
石墨烯薄膜及复合材料的柔性基体
为了进步活性物质在柔性电极中的份额, 石墨烯薄膜也可直接充任负极运用。选用真空抽滤等办法, 已可很多制备石墨烯薄膜。另一方面,石墨烯具有特殊的二维层状结构和丰厚的表面官能团, 也使得石墨烯薄膜具有高的可弯折和力学特性。石墨烯柔性电极的功用表征
电化学测验首要包含半电池的电化学功用和动态条件下的全电池电化学功用测验等. 现在大部分柔性电极都是拼装成扣子式半电池进行电化学功用的研讨,一起在静态条件下对其拉伸、剪切、弯折强度进行测验。
Ruoff研讨组具体研讨了GO薄膜的制造及拉伸、曲折等力学行为。Kim等人用气相化学堆积法制备了高品质石墨烯薄膜, 将石墨烯转移到PET基底上并包覆一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行力学功用测验,Cheng研讨组对石墨烯薄膜及石墨烯/纤维素复合纸进行了拉伸测验和重复弯折的试验。Cheng研讨组用泡沫Ni模板定向化学气相堆积制备了三维石墨烯泡沫,互连的网络状结构使其具有高的比表面积、高电导率和柔性。因石墨烯泡沫内存在褶皱和波纹。开展趋势猜测
综上所述, 柔性仍处于试验室研讨阶段, 现在首要会集在可弯折的柔性锂离子电池范畴。 得益于杰出的二维结构和力学特性,石墨烯有望作为柔性电极的中心材料得到广泛运用。虽然如此, 柔性电池依然处于开展的初期, 间隔实践运用仍有适当长的间隔。针对石墨烯柔性电极存在的首要问题,未来的开展方向可能会会集在以下几个方面:
柔性电极的力学功用增强及高可变形性，进步现有石墨烯复合柔性电极拉伸强度和抗弯折功用，解决方案可能将会集在：与碳纳米管复合、与聚合物或柔性基体复合、选用新式的电极结构规划。
具有自我修正才能的柔性电池;
快速充电才能的进步;
柔性电极制备新工艺的开发;
柔性锂离子电池器材拼装及规划。现在存在的问题首要包含:
(1) 电解质的优化改善;(2) 柔性封装材料的开展;(3) 极耳与石墨烯柔性极片的衔接。极耳是锂离子电池极片与外电路衔接的重要组成部分,传统锂离子电池中一般选用金属铝和镍作为极耳。因为柔性锂离子电池一般选用碳基极片。
总结
跟着柔性电子产品的开展, 柔性锂离子电池作为其要害部件之一也备受瞩目。虽然近年来, 柔性锂离子电池用电极材料制备技能现已取得了巨大发展,但柔性锂离子电池的功用仍远远达不到传统锂离子电池的水平, 远不能满意实践运用的需求。得益于杰出的二维结构和力学特性,石墨烯有望作为柔性电极的中心材料得到广泛运用石墨烯薄膜直接作为柔性基体可以下降电极的质量, 进步电池的全体能量密度, 因而将具有更宽广的开展前景。
锂离子电池磷酸铁锂正极材料的研究进展
2019-01-04 13:39:36
锂离子电池因其具有能量密度高、自放电流小、安全性高、可大电流充放电、循环次数多、寿命长等优点，越来越多地应用于手机、笔记本电脑、数码相机、电动汽车、航空航天、军事装备等多个领域。锂电池产业已经成为国民经济发展的重要产业方向之一。目前，锂离子电池正极材料分为以下几类：①具有层状结构的钴酸锂、镍酸锂正极材料;②具有尖晶石结构的锰酸锂正极材料;③具有橄榄石结构的磷酸铁锂正极材料;此外还有三元材料。磷酸铁锂正极材料的理论比容量为170mA/g，电压平台为3.7V，在全充电状态下具有良好的热稳定性、较小的吸湿性和优良的充放电循环性能，因此成为现今动力、储能锂离子电池领域研究和生产开发的重点。LiFePO4基本性能LiFePO4基本结构磷酸铁锂正极材料具有正交的橄榄石结构，pnma空间群，如图1所示。在晶体结构中，氧原子以稍微扭曲的六方紧密堆积的方式排列。Fe与Li分别位于氧原子八面体中心4c和4a位置，形成了FeO6和LiO6八面体。LiFePO4充放电原理磷酸铁锂电池充放电的过程是在LiFePO4与FePO4两相之间进行的，如图2所示，其具体机理为:在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱出。充电时，Li+从正极脱出，迁移到晶体表面，在电场力的作用下，经过电解液，然后穿过隔膜，经电解液迁移到负极晶体表面进而嵌入负极晶格，负极处于富锂状态。与此同时，电子经正极导电体流向正极电极，经外电路流向负极的集流体，再经负极导电体流到负极，使负极的电荷达到平衡。锂离子从正极脱出后，磷酸铁锂转化为磷酸铁;而放电过程则相反。其充放电反应式可表示成式(1)和式(2)充电时放电时LiFePO4改性由于磷酸铁锂正极材料本身较差的导电率和较低的锂离子扩散系数，国内外研究者在这些方面进行了大量的研究，也取得了一些很好的效果。其改性研究主要在3个方面:掺杂法、包覆法和材料纳米化。掺杂法掺杂法主要是指在磷酸铁锂晶格中的阳离子位置掺杂一些导电性好的金属离子，改变晶粒的大小，造成材料的晶格缺陷，从而提高晶粒内电子的导电率以及锂离子的扩散速率，进而达到提高LiFeP04材料性能的目的。目前，掺杂的金属离子主要有T14+、CO2+、Zn2+、Mn2+、La2+、V3+、Mg2+。包覆法在LiFeP04材料表面包覆碳是提高电子电导率的一种有效方法，碳可以起到以下几个方面的作用：①抑制LiFeP04晶粒的长大，增大比表面积;②增强粒子间和表面电子的导电率，减少电池极化的发生;③起到还原剂的作用，避免Fe的生成，提高产品纯度;④充当成核剂，减小产物的粒径;⑤吸附并保持电解液的稳定。材料纳米化相较在导电性方面的限制，锂离子在磷酸铁锂材料中的扩散是电池放电的最主要也是决定性的控制步骤。由于LiFeP04的橄榄石结构，决定了锂离子的扩散通道是一维的，因此可以减小颗粒的粒径来缩短锂离子扩散路径，从而达到改善锂离子扩散速率的问题。纳米材料的优点主要有：①纳米材料具有高比表面积，增大了反应界面并可以提供更多的扩散通道;②材料的缺陷和微孔多，理论储锂容量高;③因纳米离子的小尺寸效应，减少了锂离子嵌入脱出深度和行程;④聚集的纳米粒子的间隙缓解了锂离子在脱嵌时的应力，提高了循环寿命;⑤纳米材料的超塑性和蠕变性，使其具有较强的体积变化承受能力，而且可以降低聚合物电解质的玻璃化转变温度。Ren等对纳米化的磷酸铁锂制备进行了详细的研究，他们利用亲水性的碳纳米颗粒作为模型制备出介孔磷酸铁锂正极材料。发现其具有亚微米大小的颗粒中心在2.9nm和30nm的双峰孔分布，介孔的引入也有利于电解质的流动和锂离子的扩散。在1C倍率下，放电比容量为137mA·h/g。在30C高倍率充放电后，材料的容量仍能恢复到160mA·h/g。可以看出纳米化的磷酸铁锂电化学性能得到了显著地提升。从长杰等利用液相沉淀法合成了纳米级磷酸铁，并以此为铁源，通过碳热还原技术制备了粒径均匀的纳米级球形磷酸铁锂正极材料。经分析检验结果表明，材料的首次放电比容量达161.8mA·h/g，库仑效率为98.3%，室温下在0.2℃、0.5℃,1℃, 2℃及5℃倍率充放电其首次放电比容量分别为156.5mA·h/g, 144mA·h/g,138.9mA·h/g,125.6mA·h/g和105.7mA·h/g，材料具有较好的电化学性能。Chen等以偏磷酸亚铁和石墨的纳米层状模板，通过水热法制备出拥有纳米层状形态的LiFeP04颗粒。通过SEM分析，尽管原纳米层模板LiFeP04纳米层模板之间存在差异，但最终得到的LiFeP04模板的纳米层状态保存完好。拉曼光谱表明，原纳米有机基团的分层模板成功地转换成细小的具有有序石墨结构的碳颗粒，并很好地分散在层状LiFeP04颗粒之间。经使用循环伏安法和电阻抗法评估，锂离子扩散系数分别是1.5X10-11cm2/s和3.1X10-13cm2/s，而电子电导率为3.28mS/cm，远远高于普LiFeP04的电导率(结语采用离子掺杂、包覆、材料纳米化3种改性方法对磷酸铁锂正极材料在电导率低、锂离子扩散速率慢、低温放电性能差等方面的不足有很大的改进。其中离子掺杂通过掺杂导电性好的离子，改变了颗粒大小，造成材料的晶格缺陷，从而提高了材料电子的电导率和锂离子的扩散率;包覆主要以碳包覆为主，抑制LiFeP04晶粒的长大，增大了比表面积，从而增强粒子间和表面电子的导电率;材料的纳米化一方面增大了材料的比表面积，为界面反应提供更多的扩散通道，另一方面，缩短了离子扩散的距离，减小了锂离子在脱嵌时的应力，提高循环寿命。此外，磷酸铁锂正极材料改性方面仍存在一些不足，如离子掺杂改进材料的导电率和锂离子扩散速率方面仍存在分歧;纳米材料的制备工艺、生产成本要求较高;此外，除了考虑实验室条件下的可行性研究外，还要考虑大规模工业化的生产要求，这些都有待于进一步研究。因此，通过以上方法来全面提高磷酸铁锂的综合性能仍然是当前和今后该领域研究和应用的主要发展方向之一。文章选自：《化工进展》
作者：张克宇，姚耀春
石墨烯电池和锂电池哪个更好
