中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：萊斯大學(xué)研究人員近期利用二氧化釩-石墨烯材料作為電動(dòng)車鋰電池的正極(即陰極)材料，并在研究過程中發(fā)現(xiàn)其能夠?qū)崿F(xiàn)超高效的充放電速率，并且在多次充放電循環(huán)后仍能保持較高的可逆容量。相關(guān)技術(shù)論文已發(fā)表于美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)(ACS)Nano Letters雜志上。
以單晶氧化釩與帶狀石墨烯作為鋰電池正極活性材料能夠在20秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)完整的充電或放電過程。在以190C超高放電率狀態(tài)下循環(huán)1000次，電池仍能保持初始容量的90%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示這是迄今為止循環(huán)性能最佳的正極材料。
目前電動(dòng)汽車中的鋰電池發(fā)展的障礙之一就是離子與電子在電極材料中擴(kuò)散緩慢。而目前研究人員利用一種有效的手段改善這一情況，通過減少電化學(xué)活性材料的特征尺寸，因?yàn)殡x子擴(kuò)散時(shí)間與材料長(zhǎng)度的平方成正比(t ≈ L2/D)。在這方面，納米材料包括納米線、納米管、納米粒子、納米石墨烯片、納米帶等形式的材料已被合成用來改善鋰電池的電化學(xué)性能。然而，未改性納米材料要同時(shí)具備高效離子及電流通路非常困難，因此納米材料達(dá)到的效果并不盡如人意。
為了進(jìn)一步解決該問題，人們采用多種高導(dǎo)電三維架構(gòu)作為納米材料的集電器。雖然通過該方法，電池在充放電速率和容量損失方面有所改善，不過該架構(gòu)的缺陷在于會(huì)導(dǎo)致部分集電體質(zhì)量較高從而降低電池整體的能量密度(即單位體積電池釋放的電能)。另外，這種僅在實(shí)驗(yàn)中采用的復(fù)雜結(jié)構(gòu)運(yùn)用到實(shí)際中將受到極大限制。
因此，萊斯大學(xué)研究人員利用單晶二氧化釩與石墨烯墊層構(gòu)建三維架構(gòu)，兼顧了高擴(kuò)散效率與低分子質(zhì)量。
氧化釩-石墨烯正極材料在不同充放電速率下鋰電池的可逆容量
此材料具體的特點(diǎn)為：
1、多渠道進(jìn)入電解質(zhì)，促進(jìn)電極材料中的鋰離子快速擴(kuò)散。
2、二氧化釩化學(xué)性質(zhì)決定了其較短的固態(tài)擴(kuò)散長(zhǎng)度，縮短了充放電所需時(shí)間。
3、基于石墨烯網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，電極整體具有高導(dǎo)電性。
4、電極中的活性材料覆蓋率達(dá)84%。
這項(xiàng)材料能夠?qū)崿F(xiàn)快速的充電與放電過程。釩氧化物的化學(xué)性質(zhì)、能量密度及結(jié)構(gòu)使它成為目前已知的作為有機(jī)層與水溶液鋰電池最好的活性材料。不過，由于該材料的電荷傳遞電阻較高，其循環(huán)性能較差。而加入了石墨烯材料后，該問題得以解決。
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員以不同二氧化釩含量比例(84%，78%，68%)來合成二氧化釩-石墨烯正極材料。在以78%二氧化釩含量合成的復(fù)合材料中，電池以1C速率放電時(shí)的可逆容量達(dá)到415毫安時(shí)/克。
另外，若以84C和190C放電速率(分別相當(dāng)于43秒與19秒將電池充滿或放完電)進(jìn)行1000次充放電循環(huán)時(shí)，該復(fù)合材料的可逆容量分別達(dá)到222及204毫安時(shí)/克。因此研究人員得出結(jié)論，二氧化釩-石墨烯材料能夠作為性能優(yōu)異的鋰電池正極材料。
