科研丨加入氫元素就能延長鋰電池續(xù)航力？
閱讀次數(shù)：336 更新時(shí)間：2015-12-28
原子氫是在石墨烯生產(chǎn)過程中的殘留物，但其在點(diǎn)存儲(chǔ)應(yīng)用中的角色則有些不太好理解。眾所周知，氫吸附劑會(huì)影響石墨烯的結(jié)構(gòu)。如果沒有氫元素?fù)诫s，它理論上就是一個(gè)不導(dǎo)電的絕緣體了。
美
國勞倫斯利福摩爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的研究人員發(fā)現(xiàn)，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(yùn)作時(shí)間以及加速傳輸作業(yè)。
LLNL的目標(biāo)是找到氫與石墨烯在生產(chǎn)過程中的關(guān)系到底如何，以及如何操縱和改進(jìn)用于存儲(chǔ)媒介的石墨烯質(zhì)量。團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)涉及了在低溫下處理石墨烯與氫，這
會(huì)導(dǎo)致石墨烯被氫元素打開一個(gè)小破孔，使鋰能夠更輕易地穿透。
這一改進(jìn)不僅可以提升其放電功率，也能夠增強(qiáng)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(huì)得到提升。
鋰離子電池有幾項(xiàng)關(guān)鍵特性——容量、電壓以及能量密度，這些特性的表現(xiàn)最終都由鋰離子與電極材料的結(jié)合來決定。在電極的結(jié)構(gòu)、化學(xué)與形狀上的細(xì)微變化，都可能顯著影響鋰離子如何與其強(qiáng)烈鍵合的程度。
透過實(shí)驗(yàn)與計(jì)算，Livermore國家實(shí)驗(yàn)室的研究員發(fā)現(xiàn)，在鋰離子電池中，經(jīng)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(fā)現(xiàn)提供了質(zhì)化分析觀點(diǎn)，有助于設(shè)計(jì)出基于石墨烯材料的高功率電極，”LLNL材料科學(xué)家Morris Wang表示。他同時(shí)也是這項(xiàng)發(fā)表于《自然科學(xué)報(bào)告》(Nature Scientific Reports)期刊的研究作者之一。
石墨烯材料在能量儲(chǔ)存元件的商業(yè)應(yīng)用，包括鋰離子電池與超級(jí)電容器，嚴(yán)重影響其以較低成本大量生產(chǎn)這種材料的能力。而常用的化學(xué)合成方法最后會(huì)留下大量的氫原子，它對(duì)于石墨烯的電化學(xué)性能帶來的效應(yīng)也難以確定。
Livermore
實(shí)驗(yàn)室的研究人員進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)與多尺寸的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，利用氫元素刻意對(duì)于富含晶界缺陷的石墨烯進(jìn)行底溫處理，實(shí)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(jìn)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(huán)容
量。
“電極的性能提升是一項(xiàng)重要的突破，能夠開啟更多現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用，”Livermore實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)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(fā)現(xiàn)在經(jīng)過氫元素處理后，石墨烯奈米泡沫電極有了顯著的進(jìn)步。藉由結(jié)合這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合與詳細(xì)的模擬，我們就能追蹤缺陷與氫離解之間的微妙互動(dòng)與進(jìn)展。針對(duì)
石墨烯化學(xué)與形態(tài)進(jìn)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(shí)也是這項(xiàng)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(shí)驗(yàn)并未回答一些關(guān)鍵問題，比如如何優(yōu)化缺陷的密度、以及如何找到氫與石墨烯材料的最佳結(jié)合點(diǎn)，以便明確地讓鋰離子電池取得更高的能量密度。
根據(jù)這項(xiàng)研究結(jié)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(shí)現(xiàn)最佳化鋰離子傳輸以及可循環(huán)儲(chǔ)存應(yīng)用。
