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石墨烯越适合做正极导电剂吗?

时间:2019-05-16来源:申博太阳城浏览次数:

导电剂虽然在锂离子电池中所占的分量较少,但其很大水平地影响着锂离子电池的机能,对改良电池轮回机能、容量施展、倍率机能等有着很主要的作用。


作为明星二维纳米资料,石墨烯具有很高的电导率及柔性、二维、超薄的构造特征,是极具潜力的锂离子电池导电剂。经由过程石墨烯与活性物资之间的“面-点”打仗形式,石墨烯的低导电阈值使得很少含量的石墨烯就能够有用进步电极的电子电导率,大幅下降导电剂运用量,有用进步电池的体积能量密度。同时,石墨烯奇特的二维平面构造又会对电极内部锂离子的传输发作“位阻效应”,对电极内部锂离子的传输发作障碍,影响高倍率条件下锂离子电池机能的施展。因而,挑选适宜的石墨烯作为导电剂至关主要。


通常情况下,多数人会以为导电性越好的石墨越合适做导电剂,但真实情况是如许的吗?中科院金属研讨所李峰研讨员组离别考核了插层法、电解剥离法和革新Hummers’法制备的石墨烯的理化性子及对LiCoO2正极机能的影响,结果显现电导率最好的石墨烯不一定结果就最好,石墨烯的比外面积、外面官能团等对终究结果也有显着影响。研讨成果以Choice for graphene as conductive additive forcathode of lithium-ion batteries为题宣布在Journal of Energy Chemistry上。


图文浅析:

图1.插层法(GInc)、电解剥离法(GElc)和革新Hummers’法(GHum)制备的石墨烯SEM图象。

图2.三种石墨烯XRD、拉曼和XPS表征结果。

表1.三种石墨烯的理化参数。


起首,作者在实验室经由过程插层法(GInc)、电解剥离法(GElc)和革新Hummers’法(GHum)合成了三种石墨烯,并经由过程XRD、拉曼和XPS对石墨烯进行了表征。三种石墨烯中GInc尺寸最大(5-30 μm)、比外面积最小(24.9 m2/g),GHum尺寸最小(3-10 μm)、比外面积最大(543.9 m2/g)。电导率的趋向同比外面积恰好相反,GInc电导率最高而GHum电导率最低,两者直接相差了10倍多。XRD和拉曼结果显现三种石墨烯中GInc的无序度最低且外面含氧量少,GElc的无序度最高且外面含有雄厚的亲水性含氧官能团。

图3.离别含三种分歧石墨烯的LiCoO2正极的SEM图象:(a) L-GInc, (b) L-GElc, (c) L-GHum。石墨烯的量均为2 wt%。

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图4.离别含三种分歧石墨烯的LiCoO2半电池电化学机能对照。


如上所述,三种石墨烯中GInc的电导率最高而GHum的电导率最低,是不是就意味着GInc作为正极导电剂的结果就会最好呢?作者离别运用该三种石墨烯制备了LiCoO2正极并对电极的外面描写和电化学机能进行了表征。起首,从电极微观描写上看,三种石墨烯均能很好地掩盖、包裹、衔接LiCoO2颗粒,较显着的区别是GHum因为比外面积最大使得疏散性相对较差,终究致使局部LiCoO2颗粒呈袒露状况。从电化学机能上对照看,无论是放电容量、倍率照样轮回机能,以GElc做导电剂的LiCoO2半电池机能最优,而以GInc做导电剂的LiCoO2半电池机能最差,导电性最好的GInc的上风仅体现在阻抗上。值得一提的是导电性最差的GHum在2 C时直接涌现跳水的征象。以上结果表明挑选石墨烯做导电剂时电导率并不是独一的考量要素,石墨烯的比外面积、有序度、外面官能团等也是异常值得斟酌的参数。

图5.同时含石墨烯和SP的LiCoO2正极的SEM图象:(a) L-GInc-SP, (b) L-GElc-SP,(c) L-GHum-SP。石墨烯和SP的量离别为1 wt%。

图6.运用四种分歧导电剂的LiCoO2半电池电化学机能对照。


分歧导电剂的作用机制分歧,石墨烯做导电剂同活性颗粒之间更多是面打仗,而SP等颗粒导电剂同活性颗粒更多是点打仗,斟酌到综合结果,现实运用中往往会同时运用多种导电剂。为此,作者离别将三种石墨烯同SP团结运用并对照电极微观描写和电化学机能上的差别。如图5所示,零丁运用SP做导电剂时SP多呈群集状况,致使局部LiCoO2颗粒袒露;而SP离别同三种石墨烯团结运用时,SP疏散优越且LiCoO2颗粒都能获得很好的掩盖、衔接。图6电化学机能结果显现SP的到场进步了GInc和GHum零丁作为导电剂时的倍率机能,而GElc和SP联用的倍率机能反而较GElc零丁运用略有下降。从轮回结果看,三种石墨烯和SP联用作为导电剂时电池的轮回机能均优于零丁运用SP,且GElc和SP联用轮回机能最好。

图7.流变特征研讨:(a)三种石墨烯浆料;(b)LiCoO2同三种石墨烯夹杂浆料。


加工性也是挑选导电剂时须要考量的主要参数。如图7a所示,三种石墨烯浆料都类似弹性凝胶,跟着剪切速度的增大剪切粘度逐渐下降。个中比外面积最大的GHum粘度也最大,这也意味着以GHum为导电剂时须要运用更多的溶剂,因而GHum并不是导电剂的最好挑选。LiCoO2同三种石墨烯夹杂浆料的流变特征同零丁石墨烯的流变特征类似。综合以上结果不难看出,三种石墨烯中GInc和GElc较合适作为导电剂,个中GElc做导电剂的结果是最好的。


小结:电极构造式复合的三维构造,导电剂在个中不只要起到导电的作用,还须要公道的疏散,只要疏散好了能力充足发作导电的作用。而疏散更多同导电剂比外面积、外面官能团等有关,因而电导率以外的的其他参数或许引发注重。但有一点是明白的:若是导电剂本征电导率就非常低劣,其他参数再好预计也不可。

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