在锂电池中使用碳纳米管可以显着提高能量容量

2019-04-15 16:11:03
来源:

麻省理工学院的研究人员发现了一项新发现,电池可能会增加电力容量。他们发现,与传统的锂离子电池相比,将碳纳米管用于其中一个电池的电极可以使其从给定重量的材料中提供的功率大幅增加 - 达十倍。这样的电极可以在小型便携式设备中找到应用,并且通过进一步的研究也可以导致用于更大,更耗电的应用的改进的电池。

为了生产强大的新电极材料,该团队采用逐层制造方法,其中将基础材料交替浸入含有碳纳米管的溶液中,碳纳米管已用简单的有机化合物处理,使其具有正或负网络收费。当这些层在表面上交替时,由于互补电荷,它们紧密地结合在一起,形成稳定且耐用的薄膜。

由机械工程和材料科学与工程副教授Yang Shao-Horn领导的团队与Bayer讲座化学工程教授Paula Hammond合作,在6月20日发表在Nature Nanotechnology期刊上的论文中报告了这一发现。主要作者是化学工程系学生Seung Woo Lee PhD '10和博士后研究员Naoaki Yabuuchi。

诸如广泛用于便携式电子设备的锂离子电池之类的电池由三个基本部件组成:两个电极(称为阳极,或负电极,以及阴极或正电极),由电解质隔开,导电带电粒子或离子可以容易地移动的材料。当使用这些电池时,带正电的锂离子穿过电解质到达阴极,产生电流; 当它们被充电时,外部电流使这些离子以相反的方式移动,因此它们嵌入阳极的多孔材料中的空间中。

在新的电池电极中,碳纳米管 - 一种纯碳形式,其中碳原子片卷成小管 - “自组装”成一个紧密结合的结构,在纳米尺度上是多孔的(亿分之一)仪表)。此外,碳纳米管表面具有许多氧基团,可以储存大量的锂离子; 这使得碳纳米管首次成为锂电池中的正极而不仅仅是负极。

Hammond解释说,这种“静电自组装”过程很重要,因为通常表面上的碳纳米管倾向于聚集在一起,留下更少的暴露表面进行反应。通过在纳米管上加入有机分子,它们以“具有高孔隙度同时存在大量纳米管”的方式组装,“她说。

Lee说,采用这种新材料的锂电池展示了两种电容器的一些优点,这些电容器可以在短时间内产生非常高的功率输出,而锂电池可以长时间稳定地提供更低的功率。该团队表示,这种新电极材料的给定重量的能量输出显示为传统电容器的五倍,总功率输出速率是锂离子电池的10倍。这种性能可归因于电极中离子和电子的良好传导,以及纳米管表面上的有效锂存储。

除了高功率输出之外,碳纳米管电极随时间显示出非常好的稳定性。经过1000次充电和放电测试电池循环后,材料的性能没有发现可检测的变化。

该团队生产的电极厚度可达几微米,能量输送的改进仅见于高功率输出水平。他们表示,在未来的工作中,该团队的目标是生产更厚的电极,并将改进的性能扩展到低功率输出。Shao-Horn说,在目前的形式中,这种材料可能适用于小型便携式电子设备,但如果报告的高功率能力以更厚的形式展示 - 厚度为数百微米而不是仅仅是几个 - - 它最终可能适用于其他应用,如混合动力汽车。

虽然电极材料是通过交替地将基板浸入两种不同的溶液(相对耗时的工艺)而生产的,但Hammond建议可以通过将替代层喷涂到移动的材料带上来修改该工艺,现在的技术是在她的实验室开发。这最终可以开启连续制造工艺的可能性,该工艺可以扩大到大批量用于商业生产,并且还可以用于生产具有更大功率容量的更厚电极。哈蒙德说,潜在的厚度“没有真正的限制”。她说,“唯一的限制是制作各层所需的时间”,喷涂技术的速度可以比浸渍快100倍。

Lee表示,虽然到目前为止碳纳米管的生产数量有限,但许多公司正在准备大规模生产这种材料,这有助于使其成为大规模电池制造的可行材料。

声明:本站系本网编辑转载,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如涉及作品内容、版权和其它问题,请在30日内与本网联系,我们将在第一时间删除内容!
热门文章
头条推荐