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科研丨加入氫元素就能延長鋰電池續航力?
更新時間:2015-12-28 瀏覽數:
原子氫是在石墨烯生產過程中的殘留物,但其在點存儲應用中的角色則有些不太好理解。眾所周知,氫吸附劑會影響石墨烯的結構。如果沒有氫元素摻雜,它理論上就是一個不導電的絕緣體了。

美 國勞倫斯利福摩爾國家實驗室(LLNL)的研究人員發現,只要在鋰電池的電極中加入氫元素,就能大幅提高電池容量,使其延長運作時間以及加速傳輸作業。 LLNL的目標是找到氫與石墨烯在生產過程中的關系到底如何,以及如何操縱和改進用于存儲媒介的石墨烯質量。團隊的實驗涉及了在低溫下處理石墨烯與氫,這 會導致石墨烯被氫元素打開一個小破孔,使鋰能夠更輕易地穿透。

這一改進不僅可以提升其放電功率,也能夠增強其吸收能力。此外,由于鋰能夠更輕易地約束到石墨烯材料邊緣的地方,整體容量也會得到提升。

鋰離子電池有幾項關鍵特性——容量、電壓以及能量密度,這些特性的表現最終都由鋰離子與電極材料的結合來決定。在電極的結構、化學與形狀上的細微變化,都可能顯著影響鋰離子如何與其強烈鍵合的程度。

透過實驗與計算,Livermore國家實驗室的研究員發現,在鋰離子電池中,經過氫元素處理的石墨烯奈米泡沫電極顯示出更高的容量以及更快的傳輸能力。

“這些發現提供了質化分析觀點,有助于設計出基于石墨烯材料的高功率電極,”LLNL材料科學家Morris Wang表示。他同時也是這項發表于《自然科學報告》(Nature Scientific Reports)期刊的研究作者之一。

石墨烯材料在能量儲存元件的商業應用,包括鋰離子電池與超級電容器,嚴重影響其以較低成本大量生產這種材料的能力。而常用的化學合成方法最后會留下大量的氫原子,它對于石墨烯的電化學性能帶來的效應也難以確定。


Livermore 實驗室的研究人員進行的實驗與多尺寸的計算發現,利用氫元素刻意對于富含晶界缺陷的石墨烯進行底溫處理,實際上可以提高速率容量。氫元素與石墨烯中的缺陷 相互作用后開啟了較小的孔隙,能夠促進鋰離子更易于滲透,從而提升傳輸速率。透過增加邊緣(氫元素最可能附著之處)附著的鋰離子,可提供更多的可循環容 量。

“電極的性能提升是一項重要的突破,能夠開啟更多現實世界的應用,”Livermore實驗室材料科學部門的博士后研究人員暨該研究論文的主要作者Jianchao Ye表示。

“我 們發現在經過氫元素處理后,石墨烯奈米泡沫電極有了顯著的進步。藉由結合這項實驗結合與詳細的模擬,我們就能追蹤缺陷與氫離解之間的微妙互動與進展。針對 石墨烯化學與形態進行一些小小改變所帶來的成果,最后可能在性能方面帶來令人驚訝的巨大影響,”LLNL研究人員同時也是這項研究的另一名作者 Brandon Wood表示。

不過文章作者也指出,他們的實驗并未回答一些關鍵問題,比如如何優化缺陷的密度、以及如何找到氫與石墨烯材料的最佳結合點,以便明確地讓鋰離子電池取得更高的能量密度。

根據這項研究結果顯示,這種可控制的氫元素處理過程也可用于其他基于石墨烯的陽極材料中,實現最佳化鋰離子傳輸以及可循環儲存應用。
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