Nature:石墨烯管作為鋰離子電池的錫陽極,具有高體積/重量容量

2020-12-03 材料分析與應用

本文要點：

通過將Sn納米顆粒封裝在高導電性和堅固的石墨烯管中來輕鬆實現具有高重量和體積容量的錫陽極

成果簡介

受微電子器件的尺寸以及電動汽車的空間的限制，對具有高體積能量密度的鋰離子電池有巨大的需求。然而，當前的鋰離子電池採用具有低抽頭密度和重量分析能力的石墨基陽極，從而導致較差的體積性能指標。在這裡，通過在機械堅固的石墨烯管中封裝金屬錫的納米顆粒，顯示出具有高體積和重量容量，高倍率性能和長循環壽命的錫陽極。與商用正極材料LiNi 0.6 Mn 0.2 CO 0.2 O2配對，全電池的重量和體積能量密度分別為590 WhKg -1和1,252 WhL-1，後者是基於石墨陽極的電池的兩倍。這項工作為高能量密度鋰離子電池的廣泛應用提供了一條有效途徑。

圖文導讀

圖1：說明用於高性能陽極的Sn / DGT的合成的示意圖。

圖2：DGT和Sn / DGT的形態和結構。

圖3：水在氮摻雜和未摻雜石墨烯管上的潤溼過程以及雙親性對SnO 2選擇性生長的作用。

圖4：Sn / DGT的電化學性能。

圖5：在鋰化-脫鋰循環中Sn / DGT的原位TEM觀察。

圖6：將Sn / DGT用作商用電池的高性能陽極的可行性。

小結

本文開發了具有高重量和體積容量的錫陽極。這可以通過將Sn納米顆粒（一種具有高重量和體積容量的金屬）封裝在高導電性和堅固的石墨烯管中來輕鬆實現。儘管Sn納米粒子在循環過程中會發生很大的變化，但它們仍被石墨烯管限制，從而確保了出色的倍率性能和較長的循環壽命。同時，通過創建具有雙親性質的雙石墨烯管，我們將電極中的游離Sn納米顆粒的數量降至最低，這可能會導致從石墨烯管脫離後容量迅速衰減。該策略顯著提高了LIB的重量能密度和體積能密度。採用這種錫陽極可以在當前市場上將LIB的體積能量密度提高一倍。同時，選擇性增長策略可以擴展以合成各種功能材料，從而具有廣泛的應用範圍。

文獻：

相關焦點

  • 德國波蘭兩大學研究人員研發新電池陽極材料 可比石墨陽極電池多...
    蓋世汽車訊 電池作為能源存儲解決方案，每天都在廣泛的應用中使用。考慮到電動汽車市場的快速增長，尋求先進的電池解決方案一直受人關注。鋰離子電池（Li-Ion）通常用於小型電子設備和電動汽車，此類電池的最大優點是能量密度高（體積小、能量高），而且是許多應用的重要部分。
  • 石墨烯負載二氧化錫量子點作為優異循環和倍率性能的負極材料
    隨著電動汽車的發展，構築高能量密度和長壽命的鋰離子電池已經成為研究的熱點之一。
  • 鋰離子電池新型負極材料的改進與研究
    金屬基材料　　1.1錫基材料　　目前錫基負極材料主要有錫氧化物和錫合金等。　　1.1.1錫氧化物　　SnO2因具有較高的理論比容量（781mAh/g）而備受關注，然而，其在應用過程中也存在一些問題：首次不可逆容量大、嵌鋰時會存在較大的體積效應（體積膨脹250%～300%）、循環過程中容易團聚等。
  • 為什麼要研究石墨烯電池?
    然而，由於鋰離子電池製造成本更低，而且能量密度更高，它們似乎不那麼普遍。雖然有某些類型的電池能夠儲存大量的能量，但是它們體積很大，重量很重，釋放的能量也很慢。另一方面，電容器能夠快速充電和放電，但其能量比電池要少得多。然而，石墨烯在這一領域的使用，為能源儲存提供了令人興奮的新可能性，高電荷和放電率，甚至經濟的可承受性。石墨烯改進的性能因此模糊了超級電容器和電池之間的傳統界限。
  • 石墨烯納米纖維作為具有增強鋰存儲性能的高耐久性嵌鋰陽極
    ：電紡Fe2TiO5-TiO2@石墨烯納米纖維作為具有增強鋰存儲性能的高耐久性嵌鋰陽極DOI:10.1002/ente.202000215鈦酸鐵作為用於電化學能量存儲和轉化的潛在陽極材料具有重要的研究價值。
  • 劉忠範院士團隊：高安全、全柔性石墨烯改性鋰離子電池
    在電池中，鋰離子在放電過程中從負極移動到正極，在充電過程中返回。與不可充電鋰電池中使用的金屬鋰相比，鋰離子電池使用嵌入鋰化合物作為電極材料。電池具有高能量密度，沒有記憶效應（除了LFP電池）和低自放電。然而，它們可能是一種安全隱患，因為它們含有易燃電解質，如果損壞或充電不當，可能導致爆炸和火災。
  • 噴射空法製備的石墨烯/石墨納米片複合材料，用於鋰離子電池陽極
    ，製備的石墨烯/石墨納米片複合材料（GGNC）和原始石墨製成紐扣電池1成果簡介 本文，北京航空航天大學 航空科學與工程學院沈志剛教授課題組在《Energy Technology》期刊發表名為「Scalable and High‐Performance Graphene/Graphite Nanosheet Composite
  • 美國研發鋰離子交換電池 電動車一分鐘充滿電
    石墨烯因具有如下特點成為新儲能設備的首選：它是目前已知導電性最高的材料，比銅高五倍；具有很強的散熱能力；密度低，比銅低四倍，重量更輕；表面面積是碳納米管兩倍時，強度超過鋼；超高的楊氏模量和最高的內在強度；比表面積(即單位質量物料所具有的總面積)高；不容易發生置換反應。
  • 石墨烯電池容量是多少
    什麼是石墨烯電池 　　石墨烯電池，利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發出的一種新能源電池。石墨烯電池在飽和氯化銅溶液中，時間（小時、天數）和產生電壓的關係。 　　美國俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發出一種新的電池。這種新的電池可把數小時的充電時間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認為，未來一分鐘快充石墨烯電池實現產業化後，將帶來電池產業的變革，從而也促使新能源汽車產業的革新。
  • 石墨烯電池究竟是什麼?是未來新科技還是騙局?
    首例石墨烯聚合材料電池石墨烯被研究者和各大媒體譽為「新材料之王」，是人類已知強度高、韌性好、重量輕、透光率高、導電性佳的新型納米材料。高溫環境下的充放電測試表明，同等工作參數下，該石墨烯助力的高溫鋰離子電池的溫升比普通鋰離子電池降低5℃； 60°C高溫循環2000次，容量保持率仍超過70%；60℃高溫存儲200天，容量損失小於13%石墨烯電池技術在了解石墨烯電池之前
  • 氮/氧共摻雜石墨烯狀碳納米籠作為鋰離子/鉀離子電池的陽極
    本文要點：生物質衍生的糖合成氮/氧共摻雜的石墨烯樣碳納米籠作為鋰和鉀離子電池陽極成果簡介 >環保型碳基材料作為鹼性離子電池的通用陽極具有潛在的應用前景。然而，現有的碳基材料已不能滿足日益增長的高能量密度需求，需要進一步積極探索。
  • 銅錫薄膜問世！華人科學家突破鋰電池核心痛點，可減緩電池退化
    本次的項目突破，主要在於為電池的一個電極塗上了一層新的保護塗層 ——銅錫薄膜，應用在錫陽極上，這將在整個充電過程中，可以保持電極的穩定。同時，能顯著減緩電池的退化，抑制電極粉末化的問題，並能使電池在更長的時間內保持更大的電量。
  • SnO2作為鋰離子電池負極材料的研究進展
    鋰離子電池具有比能量高、循環壽命長、無記憶效應、工作溫度範圍寬、環境友好等諸多優點[1]，已成功地成為可攜式電子設備的主要動力源。同樣在載運工具領域有著廣闊的應用前景和研究價值。負極材料是鋰離子電池的核心材料之一[2－3]，負極材料的優化對提高鋰離子電池的總體性能有著較大作用。SnO2由於具有較高的理論容量，儲量豐富，被認為是最有前景的負極材料之一。
  • 金屬空氣電池發展簡析
    1.2 鋰離子電池問題的根源大家知道：和以前在家庭中廣泛使用的鎳鎘、鎳氫電池以及在交通工具中使用的鉛酸電池相比，鋰離子電池具有很多的優勢。最大的優勢，就是鋰離子電池的單位能量密度很高。鋰離子電池的標稱電壓(Nominal Voltage)為3.6伏特，同時體積小、重量輕，非常適用於對於重量較為敏感的電動車。
  • 至柔至性之柔性電池:科研進展和機遇|聚合物|碳納米管|電化學|材料...
    因此，金屬集流體在電池中的應用，在反覆的機械變形過程中，存在容量損耗、能量密度低、速率性能差等問題。碳材料，如碳納米管（cnt）、石墨烯和碳納米纖維（CNFs），具有優異的熱穩定性和化學穩定性、高導電性和優異的機械性能。因此，碳材料通常用作自支撐柔性電極，以消除對金屬電流收集器的需要。碳納米管在LIBs中被廣泛用作導電添加劑或集流體。
  • 鋰離子電池用金屬錫電沉積層的儲鋰性能
    關鍵詞：錫電極材料；鋰離子電池；電沉積；形貌；容量    中圖分類號：TM 912.9 文獻標誌碼：A    文章編號：1004-0609(2010)06-1155-06    鋰離子電池具有輸出電壓高
  • 高校合成錫硫族化合物納米片,可顯著提升鋰離子電池容量
    汽車氪獲悉，北京工業大學、哈爾濱工業大學和威斯康星大學密爾沃基分校(university of Wisconsin Milwaukee)的研究人員合成了一種新型鋰離子陽極材料—錫硫族化合物（SnSe0.5S0.5）納米片，可顯著提升鋰離子電池的容量。
  • 為什麼石墨烯電池很重要石墨烯電池到底是什麼
    石墨烯作為電池的理想用途是作為「超級電容器」。超級電容器能夠像傳統電池一樣存儲電流，也可以迅速地充電和放電。電子在石墨烯中的運動速度能達到光速的1/300，遠超於在一般導體裡的運動速度，並且，石墨烯還有高傳導性、高比表積的特性，這些是它的優勢。
  • 石墨烯材料助力鋰離子電池性能更上一層樓
    這些獨特的電荷機械性質使得加入石墨烯的複合材料更多功能化，不但表現出優異的力學及電學性能，還具有優良的加工性能，為材料應用領域開啟了新的篇章。　　近年已有非常多文獻利用石墨烯取代傳統導電碳作為導電添加劑，藉由石墨烯的高導電性提升鋰離子電池和超級電容器的功率密度，也提出非常多令人驚豔的數據。然而，實驗室得出的驚人數據往往無法在產品量產時得到再現，且差異頗大。
  • 石墨烯電池的研究成果
    什麼是石墨烯電池?鋰離子電池與體積和重量相比具有良好的容量。然而，有一個缺點:充電要花很長時間。另一個缺點是它們的最大輸出功率。鋰離子電池的容量可能很大，但其最大輸出功率有限，因為存在過熱的風險。在1000次循環後，其容量仍比名義值的90%要好。釩氧化物在鋰離子電池中具有較高的能量。這是因為他們像海綿一樣收集鋰離子。使用釩氧化物(VO2)或釩五氧化物(VO5)的缺點是，一般來說氧化物是壞的導電體。低電導率導致較慢的充電/放電速率。