導(dǎo)讀:美國(guó)的科學(xué)家研究了在鋰離子電池電極中使用不同的導(dǎo)電填充材料,發(fā)現(xiàn)在鎳鈷錳陰極中添加單壁碳納米管可以提高整個(gè)電池的電導(dǎo)率和更高的倍率能力。根據(jù)該小組的研究結(jié)果,可以為高功率,高能量電池電極的設(shè)計(jì)供應(yīng)新的見(jiàn)解。

在改善當(dāng)今能量存儲(chǔ)技術(shù)的眾多途徑中,向電極中添加導(dǎo)電“填充”材料有望帶來(lái)更好的速率能力,導(dǎo)電性和整體電池性能。

由得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校(UTA)領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家解釋說(shuō):“盡管已經(jīng)廣泛開(kāi)發(fā)了各種導(dǎo)電填料,但對(duì)這些填料的幾何形狀和尺寸如何影響電極電導(dǎo)率,結(jié)構(gòu)以及最終對(duì)電化學(xué)的理解高能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能仍然不足。”

該小組使用三種不同的導(dǎo)電碳材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),以確定哪種材料具有最佳性能。將不同數(shù)量的單壁碳納米管、石墨烯納米片和“SuperP”(一種已經(jīng)在鋰離子電池中通常用作導(dǎo)電填料的炭黑顆粒)添加到鎳鈷錳(NCM)陰極中。

然后使用各種光譜和電化學(xué)表征技術(shù)測(cè)量這些陰極。發(fā)表在《應(yīng)用物理評(píng)論》上的論文揭示了用于高能存儲(chǔ)系統(tǒng)的厚電池電極中導(dǎo)電填料的維數(shù)效應(yīng)。

鋰離子電池的應(yīng)用受到限制,因?yàn)樗鼈儫o(wú)法滿足高功率輸出和可逆儲(chǔ)能的要求。重要挑戰(zhàn)集中在開(kāi)發(fā)既能出現(xiàn)高能量又能出現(xiàn)功率的電極體系結(jié)構(gòu)上。作為關(guān)鍵成分之一,導(dǎo)電填料在電池電極中起著至關(guān)重要的用途,有助于形成導(dǎo)電性和整形電極結(jié)構(gòu),從而顯著決定倍率能力。

單壁碳納米管(SWCNT)被證明是性能最好的添加劑。該小組觀察到,納米管在NCM顆粒周圍形成了導(dǎo)電涂層,并且還在NCM顆粒之間形成了相互連接的網(wǎng)絡(luò)。石墨烯納米片具有相似的效果,但形成的結(jié)構(gòu)不太均勻。

最好的SWCNT電極顯示容量142毫安時(shí)每克(mAh/g)的充電率0．2攝氏度,跌至101mAh/g當(dāng)利率新增到2C組還發(fā)現(xiàn),0．16%的體重SWCNTs足以確保良好的導(dǎo)電性。UTA的余桂華(GuihuaYu)解釋說(shuō):“當(dāng)將導(dǎo)電填料添加到絕緣基質(zhì)中時(shí),一旦形成穿過(guò)復(fù)合材料的第一條導(dǎo)電路徑,電導(dǎo)率就會(huì)顯著新增。”

該組織表示,其發(fā)現(xiàn)表明,以這種方式集成SWCNT可以促進(jìn)更好的離子和電荷轉(zhuǎn)移,從而導(dǎo)致性能更好的電池,尤其是在高放電速率下。總體而言,對(duì)導(dǎo)電填料行為的進(jìn)一步了解可以為高能量/功率密度電極的設(shè)計(jì)打開(kāi)新的大門。