石墨烯直接作為鋰電池負(fù)極材料

時(shí)間：2020-07-06作者：江西聚鑫源廢舊物資回收有限公司瀏覽：125

石墨烯直接作為鋰電池負(fù)極材料

 

2004年英國(guó)Manchester大學(xué)研究者**發(fā)現(xiàn)石墨烯材料，并獲得諾貝爾獎(jiǎng)。石墨烯是一種由碳六元環(huán)形成的新型碳材料,具有很多優(yōu)異的性能，如大比表面（約2600m2g-1）、高導(dǎo)熱系數(shù)（約5300Wm-1K-1）、高電子導(dǎo)電性（電子遷移率為15000cm2V-1s-1)和良好的機(jī)械性能，被作為鋰離子電池材料而備受關(guān)注。
石墨烯直接作為廢舊鋰電池回收負(fù)極材料時(shí)，具有非?？捎^的電化學(xué)性能。試驗(yàn)室曾采用水合肼作為還原劑、制備了叢林形貌的石墨烯片，其兼具硬碳和軟碳特性，且在**0.5V電壓區(qū)間，表現(xiàn)出電容器的特性。
石墨烯負(fù)極材料在1C放電倍率下,**可逆容量為650mAh/g，100次充放電循環(huán)后容量仍可達(dá)到460mAh/g。石墨烯還可作為導(dǎo)電劑，與其他負(fù)極材料復(fù)合，提高負(fù)極材料的電化學(xué)性能。如Zai等采用超聲分散法制備了Fe3O4/石墨烯復(fù)合材料，在200mA/g的電流密度下放電，經(jīng)過50次循環(huán)后，容量為1235mAh/g；在5000和10000mA/g電流密度下放電，經(jīng)過700次循環(huán)后，容量分別能達(dá)到450mAh/g和315mAh/g，表現(xiàn)出較高的容量和良好的循環(huán)性能。
尖晶石型鈦酸鋰被作為一種備受關(guān)注的負(fù)極材料，因具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1）鈦酸鋰在脫嵌鋰前后幾乎“零應(yīng)變（脫嵌鋰前后晶胞參數(shù)”a從0.836nm僅變?yōu)?.837nm）；
2）嵌鋰電位較高（1.55V），避免“鋰枝晶”產(chǎn)生，安全性較高；
3）具有很平坦的電壓平臺(tái)；
4）化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)和庫(kù)倫效率高。
鈦酸鋰的諸多優(yōu)點(diǎn)決定了其具有優(yōu)異的循環(huán)性能和較高的安全性，然而，其導(dǎo)電性不高、大電流充放電時(shí)容量衰減嚴(yán)重，通常采用表面改性或摻雜來提高其電導(dǎo)率。如肖等以Mg(NO3)2為鎂源，通過固相法制備了Mg2+摻雜的鈦酸鋰，表明摻雜Mg2+并沒有破壞鈦酸鋰的尖晶石晶體結(jié)構(gòu)，且摻雜后材料的分散性較佳，其在10C放電倍率下的比容量可達(dá)到83.8mAh/g，是未摻雜材料的2.2倍，且經(jīng)過10次充放電循環(huán)后容量無明顯衰減，經(jīng)交流阻抗測(cè)試表明，摻雜后材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻明顯降低。Zheng等通過高溫固相法，分別采用Li2CO3和檸檬酸鋰作為鋰源，制備了純相的鈦酸鋰和碳包覆的鈦酸鋰。
實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)碳包覆的鈦酸鋰具有較小的粒徑和良好的分散性，表現(xiàn)出較優(yōu)的電化學(xué)性能，主要?dú)w因于碳包覆提高了鈦酸鋰顆粒表面的電子電導(dǎo)率，同時(shí)較小的粒徑縮短了Li+的擴(kuò)散路徑。
硅作為鋰離子電池理想的負(fù)極材料，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1）硅可與鋰形成Li4.4Si合金，理論儲(chǔ)鋰比容量高達(dá)4200mAh/g（**過石墨比容量的10倍）；
2）硅的嵌鋰電位（0.5V）略**石墨，在充電時(shí)難以形成“鋰枝晶”；
3）硅與電解液反應(yīng)活性低，不會(huì)發(fā)生**溶劑的共嵌入現(xiàn)象。
然而，硅電極在充放電過程中會(huì)發(fā)生循環(huán)性能下降和容量衰減，主要有兩大原因：
1）硅與鋰生成Li4.4Si合金時(shí)，體積膨脹高達(dá)320%，巨大的體積變化易導(dǎo)致活性物質(zhì)從集流體中脫落，從而降低與集流體間的電接觸，造成電極循環(huán)性能迅速下降；
2）電解液中的LiPF6分解產(chǎn)生的微量HF會(huì)腐蝕硅，造成了硅電極容量衰減。

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