石墨烯气凝胶助力锂硫电池突破性能 减轻电池重量且快速充放电

5月9日,记者了解到,瑞典查默斯理工大学的研究人员最近公布了一项具有希望的突破性成果,他们利用石墨烯海绵的特殊结构,改进了锂硫电池的正极及电解质性能。为了满足未来电力的需求,新的电池技术将是必不可少的。其中一个有力候选者就是硫锂电池,它的理论能量密度是锂离子电池的5倍以上。

石墨烯气凝胶助力锂硫电池突破性能 减轻电池重量且快速充放电

这项成果的关键在于石墨烯气凝胶,它是一种由还原的氧化石墨烯制成,具备多孔、类似海绵结构的物质。在这项实验中,研究人员的设想是让它在电池中充当独立电极,以便更全面、高效地利用硫。

据了解,石墨烯气凝胶是一种高强度氧化气凝胶,具有高弹性、强吸附的特点,应用前景广阔。据介绍,”碳海绵”具备高弹性,被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力,是迄今已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体,而”碳海绵”的吸收量是250倍左右,最高可达900倍,而且只吸油不吸水。”大胃王”吃有机物的速度极快:每克这样的”碳海绵”每秒可以吸收68.8克有机物。这让人想到用它来处理海上的漏油,”可以把它们撒在海面上,就能把漏油迅速地吸收进来,因为有弹性,吸的油能够被压出来回收利用,’碳海绵’也可以重新使用。”科研人员表示。

石墨烯气凝胶助力锂硫电池突破性能 减轻电池重量且快速充放电

之前2011年的记录是每立方厘米0.9毫克,后来在同一年被0.18毫克每立方厘米的数据刷新……现在这一纪录被浙江大学的Gao Chao教授(查了一下国内相关新闻,教授名字叫高超,吐槽名字你就输了)所制备的碳气凝胶打破,其密度仅为0.16毫克每立方厘米。

不同于一般制备气凝胶的溶胶凝胶法,他们用冷冻干燥法将纳米碳纤维和石墨烯的混合溶液干燥,得到这种由碳构成的海绵状材料。

这种材料具有极高的弹性,被压缩后可以弹回原状,同时还具备极高极快的吸附能力,每一克气凝胶可以以68.8克每秒的速度吸收储存至多高达900克的油。显然,这玩意是用来吸附回收海洋中石油污染的最佳神器。

当然,科学家们还在努力研究这玩意的其他用途,比如电能储存、隔热、用作催化剂的载体之类的

目前,实验室正在对这一材料的吸附性能进行进一步的应用性研究。科研人员说,”碳海绵”还可能成为理想的相变储能保温材料、催化载体、吸音材料以及高效复合材料。不过,这一新生材料就如呱呱坠地的婴儿,科学家还很难准确预计其应用领域与前景,还得依靠社会以及产业界的想象力,让这个新材料走出实验室,实现应用价值。

传统的电池由四个部分组成。首先,有两个覆盖有活性物质的支撑电极,即正极和负极。在它们之间存在着电解质,通常呈液态,允许离子来回转移。第四个组件是隔膜,它作为一个物理屏障,防止两个电极之间的接触,同时仍然允许离子的转移。

研究人员在此之前曾尝试让正极和电解质一体化,结合成一种液体,即所谓的“catholyte”*。这一概念有助于减轻电池的重量,并能提供更快的充电速度和更好的供电能力。现在,随着石墨烯气凝胶的发展,这一概念被证明是可行的,并提供了一些非常有前景的实验结果。

石墨烯气凝胶助力锂硫电池突破性能 减轻电池重量且快速充放电

“石墨烯气凝胶的多孔结构是关键。它吸收了大量的电解质,使得那个区域内有足够高的“硫”密度,使“catholyte”的概念可以成立。这种半液态的“catholyte”能够允许硫在没有任何损失的情况下来回循环,也不会因为溶解而丢失——因为它本身就已经溶解在其中了,”CarmenCavallo说。

为了充分发挥电解质的作用,研究人员还在隔膜中也加入了部分电解质溶液,最大限度地提高了电池的硫含量。

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