在硅电极上添加石墨烯梁可以使锂电池的寿命延长一倍

沃里克大学由WMG领导的新研究发现了一种用硅代替锂离子电池阳极中石墨的有效方法，即用石墨烯梁增强阳极的结构。这可能会使可充电锂离子电池的寿命增加一倍以上，并增加这些电池的容量。

自索尼公司最初推出锂离子电池以来，石墨一直是阳极的默认选择活性材料，但研究人员和制造商长期以来一直在寻找一种用硅代替石墨的方法，因为它是一种丰富的可用元素，其重量能密度是石墨的十倍。不幸的是，硅还有其他几个性能问题继续限制其商业开发。由于硅颗粒在锂化过程中的体积膨胀，硅颗粒可以电化学团聚，从而阻碍随着时间的推移进一步的充放电效率。

硅的内在弹性也不足以应付反复充电时的锂化应变，导致阳极复合微观结构的开裂、粉碎和快速物理降解。这大大有助于容量衰减，以及发生在对电极-阴极上的降解事件。以手机为例，这就是为什么我们必须为我们的手机充电更长和更长的时间，这也是为什么他们不承担他们的费用，只要他们是新的。

许多办法试图克服这些问题。例如，使用微米大小的石墨烯的纳米/结构化硅粒子，但这并不令人满意。使用纳米硅颗粒显着地增加了活性表面的数量。这导致在第一次充电周期中更多的锂沉积在硅上，形成硅和电解质之间的固体电解质相间势垒，从而大大减少锂的库存，从而大大降低电池的使用寿命。这一层也继续生长在硅上，因此锂的损失变得连续。其他方法结合其他材料，如不同尺寸的石墨烯，被认为是不切实际的，然后进展到大规模制造。

然而，由沃里克大学WMG的Melanie Loveridge博士领导的新研究发现并测试了一种新的硅阳极混合物和一种化学修饰的石墨烯形式，它可以解决这些问题，并创造出可行的硅阳极锂离子电池。这种方法实际上可以在工业规模上制造，而不需要使用纳米硅尺寸及其相关问题。这项新的研究刚刚于2018年1月23日星期二在科学报告中发表，题为“硅-富层石墨烯(FLG)复合电极系统的相相关阻抗研究”。

石墨烯当然是矿物石墨的一个单一的、一个原子厚的层（碳的同素体）。然而，也有可能分离和操纵几个连接层的石墨烯，使材料研究人员称为少层石墨烯(FLG)。以前的研究已经测试了FLG与纳米硅的使用，但这项新的研究发现，FLG也可以显着地提高更大微米大小的硅粒子在阳极中使用的性能。因此，这种混合物可以显著延长锂离子电池的寿命，并提供更高的功率能力。

研究人员创造了一种由60%的微硅颗粒、16%的FLG、14%的钠/聚丙烯酸和10%的碳添加剂混合而成的阳极，然后在100次充放电循环中考察了其性能（以及材料结构的变化）。

这项研究的负责人、沃里克大学WMG高级研究员梅勒妮·洛维里奇博士说：“FLG的薄片混合在整个阳极上，作用就像一组坚固但相对弹性的梁。 这些片状的FLG增加了材料的弹性和弹性，大大减少了硅在锂化过程中物理膨胀引起的损伤。 石墨烯增强了阳极的长程电导率，在结构稳定的复合材料中保持低电阻。

更重要的是，这些FLG片也可以证明非常有效地保持硅颗粒之间的分离程度。每个电池充电周期都增加了硅粒子相互电化学焊接的机会。这种增加的团聚越来越减少和限制电解质进入电池中的所有粒子，并阻碍锂离子的有效扩散，这当然会降低电池的寿命和功率输出。沃里克WM G大学测试的混合物中存在FLG，导致研究人员假设这种现象在减轻电化学硅熔化方面是非常有效的。

WMG研究小组已经开始进一步研究这一技术进步，其中将包括进一步研究和研究，作为由Varta微创新领导的石墨烯先锋两年项目的一部分，Warwick大学的WMG与剑桥大学、CIC、Lithops和IIT（意大利理工学院）是合作伙伴。该项目的主要目标是推动硅/石墨烯复合材料的工业化前生产及其随后加工成锂离子电池，用于高能和高功率应用。作为该项目的一部分，Warwick的WMG将优化电极研究，扩大和邮袋电池制造的优化锂离子电池。

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