美國推出第三代硅－石墨烯鋰電池正極材料

加利福尼亞鋰電池研究小組與美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合推出了第三代硅－石墨烯復(fù)合陽極材料，并采用先進(jìn)的陰極材料和電解液溶劑，其能量密度達(dá)到525 Wh/kg，電池負(fù)極容量為1250 mAh/g。

今年早些時(shí)候，加利福尼亞電池研究小組與美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā)鋰電池，結(jié)合硅－石墨烯正極材料和其他先進(jìn)的電池材料制造出了容量超過400 Ah的方形蓄電池，將應(yīng)用于電動車領(lǐng)域上。

該技術(shù)需要使用先進(jìn)的氣相沉積法，其理論看似簡單，是將兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室內(nèi)，相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。然而，實(shí)際上，反應(yīng)室中的反應(yīng)是很復(fù)雜的，有很多必須考慮的因素，如反應(yīng)室內(nèi)的壓力、晶片的溫度、氣體的流動速率、氣體通過晶片的路程、氣體的化學(xué)成份、一種氣體相對于另一種氣體的比率、反應(yīng)的中間產(chǎn)品起的作用以及是否需要其它反應(yīng)室外的外部能量來源加速或誘發(fā)想得到的反應(yīng)等。額外能量來源諸如等離子體能量，也會產(chǎn)生一整套新變數(shù)，如離子與中性氣流的比率，離子能和晶片上的射頻偏壓等。

在鋰電池中該方法的應(yīng)用過程為:將納米硅粒子嵌入到石墨烯層中。這個(gè)方法使得在不增加電池容量的情況下，大幅增大了電池陽極的能量密度，解決了鋰電池第一次充電缺乏效率以及隨著充電次數(shù)增加容量變小的問題。

實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了獨(dú)立完整電池單元測試，測試結(jié)果表明其能量密度提高了近3倍，電池正極容量提高了近4倍。目前市場上鋰電池的能量密度為100～180 Wh/kg，而正極容量為325 mAh/g。

這款鋰電池的關(guān)鍵技術(shù)是采用了阿貢實(shí)驗(yàn)室的硅－石墨烯加工工藝，使電池正極的硅粒子在使用時(shí)趨于穩(wěn)定(其原本的特性是:體積會隨著充電放電過程而急劇變化)，達(dá)到高水平工作效率。雖然硅粒子吸收鋰離子的能力相比其他材料提高了近10倍，但是他在充放電過程中的性能退化也非常明顯。近幾年正是在研究新的正極材料、電解液溶劑，使其能充分吸收鋰離子以達(dá)到高效的目的。

美國阿貢實(shí)驗(yàn)室表示，先進(jìn)的陽極材料最終能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基于石墨烯的材料，成為現(xiàn)今鋰電池正極的新型材料。復(fù)合正極材料能夠與目前大部分新推出的鋰電池的負(fù)極材料和電解液溶劑兼容，提升電池性能，降低鋰電池充放電循環(huán)的成本。

未來的兩年內(nèi)，該聯(lián)合研究小組計(jì)劃將硅－石墨烯復(fù)合正極材料廣泛應(yīng)用于全球的鋰電池上，并在美國進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)用于高端產(chǎn)業(yè)上。

加利福尼亞鋰電池研究小組CEO Phil Roberts表示:“相信先進(jìn)的硅－石墨烯復(fù)合正極材料在儲能容量和延長電池循環(huán)壽命上將有良好的表現(xiàn)，會在未來2～3年內(nèi)代替目前的硅材料成為大部分鋰電池正極的材料。