科学家通过石墨烯涂层改善高能量密度锂电池的LIB阴极材料的降解问题,从而提升电池性能和寿命

锂离子电池(LIB)可以用在可再生能源应用(例如,电动汽车和消费电子产品)中的高性能电池,但是在这些电池中却因为电极的问题会存在着能量密度越高,越容易损害电池的寿命问题。

在AIP出版的《真空科学与技术A》中,研究人员研究了高能量密度LIB阴极材料降解的根源,并制定了缓解这些降解机理和改善LIB性能的策略。

他们的研究对于电动汽车和用于可再生能源(例如风能和太阳能)的电网级储能的锂电池是非常有用的。

作者Mark Hersam说:“ LIB中的大多数降解机制都发生在与电解质接触的电极表面上。” “我们试图了解这些表面的化学性质,然后制定使降解最小化的策略。”

合成后的NCA三元正极材料在不同放大倍数下的扫描电子显微镜图像。图片提供:西北大学
合成后的NCA三元正极材料在不同放大倍数下的扫描电子显微镜图像。图片提供:西北大学

研究人员将表面化学表征作为一种策略,用于识别和最小化NCA(镍,钴,铝)纳米颗粒合成过程中残留的氢氧化物和碳酸盐杂质。他们意识到,LIB阴极表面首先需要通过适当的退火来制备,该过程是将阴极纳米颗粒加热以去除表面杂质,然后通过原子薄的石墨烯涂层将其锁定为所需的结构。

石墨烯涂覆的NCA纳米粒子被配制成LIB阴极,显示出最高的电化学性能,包括低阻抗,高倍率性能,高体积能量和功率密度以及长循环寿命。石墨烯涂层还充当电极表面和电解质之间的屏障,从而进一步提高了电池寿命。

Gr-R-nNCA颗粒 透射电子显微镜图像显示了Gr-R-nNCA颗粒的表面。图片提供:西北大学
Gr-R-nNCA颗粒 透射电子显微镜图像显示了Gr-R-nNCA颗粒的表面。图片提供:西北大学

尽管研究人员认为单独使用石墨烯涂层足以改善性能,但他们的研究结果表明,在应用石墨烯涂层之前,对阴极材料进行预退火以优化其表面化学性质非常重要。

尽管这项工作集中在富镍LIB阴极上,但该方法可以推广到其他能量存储电极,例如钠离子或镁离子电池,这些电极结合了具有高表面积的纳米结构材料。因此,这项工作为实现高性能,基于纳米粒子的储能设备建立了一条清晰的道路。

Hersam说:“我们的方法还可用于改善LIB和相关储能技术中阳极的性能。” “最终,您需要同时优化阳极和阴极以获得最佳的电池性能。”

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