增强电动汽车锂电池性能的魔术材料：石墨烯海绵，假石墨烯电池

　　4月19日，《科学报告》（Scientific Reports）刊发日本NEC公司的钱成中研究员利用多孔石墨烯海绵添加剂增强锂离子电池相关性能的研究成果。该论文题为“Porous Graphene Sponge Additives for Lithium Ion Batteries with Excellent Rate Capability”。

　　在过去20年中，锂离子（Li-ion）电池的应用技术已经渗透到了许多领域，无论是常用的日常用品，如移动设备，还是更多的专业技术，如电动汽车（EV）、混合动力汽车（HEV）或智能能源系统。

　　锂电池具有多种形式，但市售的装置通常由石墨阳极和LiMO 2层状阴极结构组成，其中M通常是由钴，镍或锰组成的二元或三元系统的代表。

　　

　　尽管经过多年的研究和开发，锂离子电池显示出一些很好的性能（包括电池级别的重量能量密度大于160Wh / kg），但由于充放电能力差和高倍率性能，它们仍然受到低功耗的影响。

　　由于其采用的能量密度集中的电池设计，现在许多电池的性能较差。电池结构的方式需要阳极和阴极上的高质量负载，低电解质系数，阳极和阴极的低孔隙率，少量的导电添加剂，含有低表面积的活性材料。因为需要平衡这么多参数，则不可避免地导致高能量密度的锂离子电池表现出较差的功率性能。

　　随着锂离子电池的消费需求的增加，特别是从小型设备到电动汽车的实现，不仅要提高电力性能，而且要提高循环能力。在汽车中尤其如此，司机希望能够延长电池寿命，同时缩短充电时间。

　　现在已经提出了许多方法来提高和测试锂离子电池的性能，特别是通过电池设计工程方法。不幸的是，尽管有些方法提高了电池的性能，但从商业角度看，生产的电池还是不可行。

　　这主要与细胞中的低密度和高成本有关。钱成开发了一种蜂窝状多孔石墨烯海绵，也被称为“魔术G”（MG），具有高导电性，高比表面积和高电解质吸收能力。海绵已经作为添加剂掺入锂离子电池的阳极和阴极，以提高速率能力和高速率循环性。

　　

　　原理图和材料合成过程

　　Magic G是通过一系列方法生产的，最初是从石墨开始的。从那里，研究人员通过改进的悍马法氧化石墨，以生产氧化石墨。此后进一步进行热冲击和空气氧化处理，其形成了预制魔术G（前MG）的材料。然后在1000℃下热处理前体来实现魔术G。

　　前兆和最终的Magic G产品均通过许多市售机器和方法进行了表征，包括场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）（日立SU8000），透射电子显微镜（TEM）（Hitachi H-90000UHR），原子力学显微镜（AFM）（Bruker Nano Scope V Dimension Icon），傅里叶变换红外（FT-IR）（Varian 7000FT-IR），拉曼光谱（NRS-7000），气体吸附（BELSORP18PLUSUS-HT）和温度程序解吸质量光谱法（TPD-MS）（Shimadzu GC / MS-QP2010 Plus）。

　　加入魔术G后，电池的阳极和阴极都显示出更强的性能和充电速率。

　　与其他非魔术G锂离子电池相比，向阳极添加0.5％（重量）添加量可使充电容量保持率在6次循环时从56％提高到77％，10次循环时的充电容量保持率从7％提高到45％。

　　在阴极中，加入相同量的Magic G，并且在6次循环中，放电容量率从43％增加到76％，并且在10个循环中从16％增加到40％。

　　
　　

　　全电池的充放电速率

　　通过添加石墨烯海绵，两种电极的高速率的循环性得到改善。

　　除了更显着的改进之外，添加Magic G的电极电子传导性也增加了，电解质的吸附，并降低了活性材料的电荷转移电阻。

　　生产的蜂窝状材料，作为下一代锂离子电池的添加剂具有很大的潜力，因为它们既具有高电荷密度又具有良好的速率性能，因此解决了许多难题。

　　添加剂引入电极后的特性，对于用于电动车辆的锂离子电池是必不可少的。钱成还期待进一步优化未来的结构，以获得更高的性能。