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石墨烯增强无粘结剂电极制备技术

导读: 近日来自美国西北大学材料科学与工程学院的Kan-Sheng Chen等人将两种技术结合在了一起,制备了石墨烯包覆纳米锰酸锂材料,解决了纳米材料副反应多的问题,该材料具有优异的倍率性能和低温性能。

OFweek锂电网讯 石墨烯是目前最为先进的二维材料之一,具有诸多的优异性能,例如高电导率,超高的强度和良好的导热性,这都使得石墨烯成为如今最为火热的材料之一,将石墨烯优异的电化学性能与锂离子电池结合是我们电池人的梦想。纳米技术可制备具有纳米尺度的材料,减少Li+扩散距离,显著提升材料的倍率性能,但是纳米材料也会带来振实密度下降、高比表面积的问题,导致电极材料的副反应增加,限制了纳米技术在锂离子电池上的应用。

近日来自美国西北大学材料科学与工程学院的Kan-Sheng Chen等人将两种技术结合在了一起,制备了石墨烯包覆纳米锰酸锂(nano-LMO)材料,不仅仅充分利用了石墨烯材料的高性能,还解决了纳米材料副反应多的问题,该材料具有优异的倍率性能和低温性能,室温下,20C大倍率下能获得初始容量的75%,在-20℃下容量几乎没有衰降。

实验中Kan-Sheng Chen制备了nano-LMO(66.7wt%),石墨烯纳米片(7.3wt%)浆料,乙基纤维素(26wt%)作为稳定剂,NMP作为溶剂的浆料。其中石墨烯不仅仅作为导电剂,研究显示石墨烯还能够在纳米LMO颗粒的表面形成一层薄的界面膜结构,从而显著的改善LMO材料的界面稳定性,减少Mn元素的溶解。在利用超声波分散后,将浆料涂布在Al箔的表面,经过干燥后,LMO会与石墨烯片形成稳定、高密度和均匀的电极层。最后将电极在285℃下焙烧3h获得无粘接剂电极,电极的活性物质含量为90wt%,导电剂的含量为10wt%。

SEM研究显示,该方法很好的抑制了纳米颗粒的团聚,石墨烯片也均匀的分散在电极之中,高分辨率TEM显示,在LMO颗粒的表面也包覆了一层石墨烯。

该电极的电化学性能测试结果如下图所示,图a为扣式电池充放电数据,无论是充电还是放电,电池均呈现出了4.0V和4.1V两个电压平台。图b是电池的dQ/dV曲线,从图上我们可以看到充放电峰仅相差10mV,表明电池的极化很小,具有良好的反应动力学特性。从图c和图d我们可以看到相比于没有经过石墨烯处理的LMO材料,石墨烯包覆后显著的提升了LMO材料循环性能,在半电池中循环350次容量保持率为95%,对照组仅为80%。在石墨负极的全电池中,石墨烯包覆后的LMO材料具有几乎与半电池相同的循环性能,但是对照组的电池循环250次后,容量衰降就超过了35%。这表明石墨烯包覆层很好的稳定了LMO/电解液界面,减少了Mn的溶解,提高了电池的循环性能。

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责任编辑:Gerke
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