石墨烯“織就”鋰離子“夢幻華服”

石墨烯“織就”鋰離子“夢幻華服”

被做成不同形狀的石墨烯納米材料示意圖



如果說那薄如蟬翼、六角網(wǎng)格紋路質(zhì)地的材料是巧奪天工的織錦，那么這位八零后的女科學(xué)家就是一位新銳的時(shí)尚設(shè)計(jì)師，她以新潮的藝術(shù)思維、靈巧的雙手把“織錦”幻化成“夢幻華服”。她就是中國科學(xué)院金屬研究所博士、北京圣盟科技有限公司首席科學(xué)家趙金平。而她和團(tuán)隊(duì)制作“夢幻華服”的“織錦”就是被稱作“新材料之王”的石墨烯。

7月16日上午，在北京科技會(huì)堂，趙金平向匯聚于此的業(yè)內(nèi)專家展示、講解自己和團(tuán)隊(duì)取得的一項(xiàng)重大突破：石墨烯包裹改性鋰離子電池正、負(fù)極材料技術(shù)。該技術(shù)形象地說就是給鋰離子電極材料“量體裁衣”，從而大幅提升電池性能。



①獨(dú)創(chuàng)兩套包覆法

　　規(guī)?；嚠a(chǎn)成功

　　通過現(xiàn)場展示的放大5萬倍的掃描電鏡圖，趙博士娓娓講述著石墨烯“夢幻華服”特有的科技之美：“如此圖所示，石墨烯非常均勻地包覆在三元材料鋰離子表面，不僅不會(huì)破壞被包覆的三元材料，而且形成了更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。”

　　傳統(tǒng)電極材料在充放電循環(huán)過程中，體積極容易增大膨出，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致粉化，極大影響電池性能。石墨烯具有超高導(dǎo)電性、柔性，將其包覆在電極材料表面，如同為其“穿上”了量身定制的“魔法衣”，既能增強(qiáng)電子轉(zhuǎn)移速率，提高導(dǎo)電性，又能約束其體積變化，大幅提高放電容量、充放電次數(shù)等性能。

　　近年來，國際上研究石墨烯包覆技術(shù)的學(xué)者很多，不過大多停留在學(xué)術(shù)探討層面，極少實(shí)現(xiàn)技術(shù)，更不要說實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。趙金平團(tuán)隊(duì)正是迎著技術(shù)難題而上，通過數(shù)年持之以恒努力，在全球率先實(shí)現(xiàn)了石墨烯包覆電極材料尤其是三元正極材料和碳硅負(fù)極材料等的技術(shù)突破，申請數(shù)項(xiàng)國家專利。特別難能可貴的是，該技術(shù)投入規(guī)?；嚠a(chǎn)成功，為商業(yè)化量產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

　　對石墨烯包覆技術(shù)的秘訣，趙金平透露說，就如同給電極材料制作衣服，要“合身”“美觀”，就必須量體裁衣、個(gè)性化定制，也就是說，要針對不同電極材料的結(jié)構(gòu)和表面特性，制作適宜的石墨烯材料，采用相應(yīng)的包覆方法。具體來說，她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)針對正極材料和負(fù)極材料，分別開發(fā)了“兩相界面包覆法”和“液氮冷萃法”。

②性能指標(biāo)大幅提升

　　推動(dòng)提前實(shí)現(xiàn)能量密度2020

“就放電容量而言，經(jīng)過500次循環(huán)后，石墨烯包覆的三元材料和加入了添加劑的石墨烯包覆的三元材料的容量保持率分別為87.3%和98.08%，其循環(huán)穩(wěn)定性比傳統(tǒng)三元材料分別提升了40%和50.56%。經(jīng)過1000次循環(huán)后，加入了添加劑的石墨烯包覆的三元材料容量保持率還能達(dá)83.87%。”趙金平對石墨烯包覆后的三原材料性能指標(biāo)如數(shù)家珍。

　　負(fù)極材料經(jīng)過石墨烯包裹后不僅循環(huán)穩(wěn)定性有所提升，其容量也大幅度提高。趙金平以氧化鐵材料為例介紹說，通過“液氮冷萃法”，加入添加劑后，石墨烯均勻地包裹在氧化鐵表面，其容量提高67.1%，穩(wěn)定性提高18.2%。最值得期待的是石墨烯包裹硅負(fù)極材料的性能表現(xiàn)，目前，她和團(tuán)隊(duì)正在做相關(guān)實(shí)驗(yàn)和測試，相信相關(guān)數(shù)據(jù)一定會(huì)讓人特別振奮。

　　在認(rèn)真評審后，由國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會(huì)委員、清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授翁端，國家“千人計(jì)劃”專家、中科院大連化學(xué)物理研究所研究員吳忠?guī)?，中國國際石墨烯資源產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟常務(wù)副理事長阮汝祥等10人組成的專家委員會(huì)認(rèn)為，“石墨烯包覆鋰離子電池正、負(fù)極材料技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，同意通過科技成果評價(jià)。”該技術(shù)應(yīng)用到車用動(dòng)力電池上，就可望實(shí)現(xiàn)單體能量密度達(dá)到300瓦時(shí)/千克，而這正是《智能汽車關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化實(shí)施方案》提出的2020年車用動(dòng)力電池能量密度指標(biāo)。

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