美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人員已經(jīng)創(chuàng)造了一種石墨烯和錫的納米復(fù)合材料,使可再生鋰離子電池可高容量儲能。把錫夾在石墨烯薄片之間,研究人員就制成了一種新的輕型“三明治”結(jié)構(gòu),可以提高電池的性能。
“對于電動汽車而言,您需要一種輕巧的電池,可以迅速充電,而且經(jīng)反復(fù)使用后,仍可保持充電容量,”張粵港(Yuegang Zhang)說,他是伯克利實驗室分子鑄造部(Molecular Foundry)研究員,在無機納米結(jié)構(gòu)所(Inorganic Nanostructures Facility),領(lǐng)導(dǎo)這項研究。“這里,我們已經(jīng)展示的,是合理設(shè)計的納米級結(jié)構(gòu),不需要添加劑或粘結(jié)劑就可以運行,可提高電池性能。”
石墨烯是一種單原子厚的“雞線”晶格狀碳原子,具有非凡的電子和機械性能,遠遠超過硅和其它傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。以前的石墨烯研究中,張粵港和他的同事強調(diào)了電子設(shè)備的應(yīng)用。
在這項研究中,這個小組組裝分層交替的石墨烯和錫,創(chuàng)造了一種納米復(fù)合材料。要創(chuàng)造這種復(fù)合材料,一層錫薄膜就要被沉積到石墨烯上。接下來,另一層石墨烯片被轉(zhuǎn)移錫薄膜上。重復(fù)此過程,就可制成一種復(fù)合材料,然后,在氫氣和氬氣環(huán)境中,把它加熱到300攝氏度(572華氏度)。在這一熱處理期間,錫薄膜會轉(zhuǎn)化成一系列柱子,增加了錫層的高度。
“從錫薄膜形成這些納米柱,對于這一系統(tǒng)而言是非常特別的,我們發(fā)現(xiàn),上下層石墨烯之間的距離也隨之改變,以適應(yīng)錫層的高度變化,”紀(jì)李文(Liwen Ji)說,他是鑄造部的博士后研究員。紀(jì)李文為主要作者,張粵港為通信作者的一篇論文,報道了這一研究,發(fā)布在雜志《能源和環(huán)境科學(xué)》(Energy and Environmental Science)上。
在這些新的納米復(fù)合材料中,石墨烯層間高度的變化,有助于電池的電化學(xué)循環(huán)過程,因為錫的體積變化提高了電極的性能。此外,這個可調(diào)節(jié)的行為,意味著電池可迅速反復(fù)充電,不會退化,這對于電動汽車充電電池而言是關(guān)鍵的。
“我們在伯克利實驗室有一個很大的電池計劃,我們能夠制造高度可循環(huán)的電池單元。。通過我們與碳循環(huán)2.0(Carbon Cycle 2.0)計劃的互動,材料科學(xué)部的研究人員得益于優(yōu)質(zhì)電池設(shè)施和人員,加之,我們了解到了用什么制備更好的電極,”聯(lián)合作者巴塔利亞(Battaglia)說,他是伯克利實驗室環(huán)境與能源技術(shù)部高級能源技術(shù)部門的項目經(jīng)理。“作為回報,我們有一個窗口,可以讓開發(fā)下一代材料的科學(xué)家們談?wù)勥@些要求。”