纳米材料如何改善电池设计
石墨烯涂层使新型电极设计具有应用于电动汽车的潜力
来自韩国西北大学、克莱姆森大学和世宗大学的研究人员开发了一种新的锂离子电池电极设计，使用石墨烯涂层纳米颗粒来优化电池性能。研究的重点是一种电极的设计，阳极。
“电池的限制阻碍了电动汽车在尺寸和里程方面取得进展，”西北工程大学的研究人员说马克c Hersam他领导了这项研究。“通过这些新的电极设计，我们已经能够改善可充电电池的能量存储，并增加它们可以提供的功率。”
Hersam是McCormick工程学院材料科学与工程Walter P. Murphy教授，也是the McCormick School of Engineering的附属教师国际纳米技术研究所．
在过去的20年里，锂离子电池一直是最常见的可充电电池类型。从手持个人设备到电动汽车(ev)，它们无处不在。然而，当工程师们试图增加电动汽车的尺寸和续航里程时，出现了两个障碍:体积能量密度，即相对于其尺寸，电池可以存储的能量量;速率能力，即电池可以提供的功率量。
这两个参数都是由电池的两个电极控制的:阳极(负极)，电池充电时存储锂，阴极(正极)，电池放电时锂返回。
为了使电动汽车变得更大、走得更远，电极必须使电池能够储存更多的能量，并在高需求时期提供更多的电力。Hersam的团队专注于电极中使用的材料，以此作为提高其性能的途径。
增加电池供电
大多数阳极是由石墨制成的，研究还没有找到一种普遍可行的替代品。对于需要低或中等功率的设备，如iPhone或小型电动汽车，石墨阳极通常是可靠的。但对于要求更高的应用，石墨阳极容易受到内部短路的影响，降低电池性能并导致重大安全问题。
负极材料由Li组成2TiSiO5(LTSO)曾被探索作为石墨的替代品，但尽管该材料在某些方面表现良好，但它的能量密度和导电性较差。
Hersam的团队通过在LTSO的纳米颗粒上涂上石墨烯解决了这个问题，从而创造了一种他们称之为G-LTSO的新材料。石墨烯涂层可以保留LTSO纳米颗粒的优点而不存在缺点。
利用这种新材料，研究人员开发了一种新的阳极，它提供了创纪录的体积能量密度，并在高功率下提供了改进的性能——具有卓越的安全性和可靠性。
“我们的研究表明，G-LTSO可以作为下一代锂离子电池的阳极，用于高容量能量和功率密度的应用，”Hersam说。
提高能源存储
许多有前途的候选材料已被确定为新的阴极材料，富镍层状阴极是最成功的。通常情况下，材料的纳米颗粒被压缩成微粒。由于纳米粒子的大的活性表面积和它们在微粒内的密集浓度，生成的阴极具有很高的储能能力。
挑战在于，阴极也需要非活性成分，比如传输电荷的途径。这些非活性元件降低了阴极的总容量，但阴极没有它们就不能工作。
赫萨姆和来自西北大学和韩国成均馆大学的研究人员添加了一种超薄的石墨烯涂层，与微粒紧密一致。
石墨烯涂层可以在不影响其功能的情况下，大幅减少用于传输途径和其他非活性组件的碳量。
Hersam说:“这些电极在储能方面表现出前所未有的高容量，而石墨烯涂层可能会随着时间的推移减缓路径的退化，这应该会导致一个特殊的循环寿命。”
更好的电池和新的机遇
如果可充电电池能够达到足够的能量密度和速率能力，那么广泛的新应用将成为可能。例如，电动飞机将比现在飞行的以汽油为燃料的飞机更安静，对环境的危害更小。然而，锂离子电池目前无法携带足够的能量，也无法提供飞机起飞和飞行所需的高功率。
改善电池性能也将提高可再生能源的可行性。如果用于太阳能或风能系统的电池能够存储更多的能量或将电力输送给更多的客户，这些系统的成本就会下降。
研究人员认为，电极设计的进步是向前迈出的关键一步。
“我们认为这是电极设计的可扩展解决方案，”Hersam说。“除了电动汽车，我们的材料还可以为可充电电池在电网级储能等大规模应用领域提供新的可能性。”
-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE Media and Technology，cvavra@cfemedia.com．
