據(jù)外媒報(bào)道，加州理工學(xué)院（Caltech）和美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的研究人員合作設(shè)計(jì)出用石墨烯涂覆鋰離子電池陰極的方法，從而延長(zhǎng)了這種廣泛使用的可充電電池的壽命和性能。

圖片來(lái)源：加州理工學(xué)院

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該方法可能改善鋰離子電池的性能并減少對(duì)鈷的依賴，其中鈷是鋰離子電池中經(jīng)常使用的一種元素，但難以持續(xù)采購(gòu)。

相關(guān)論文已發(fā)表于期刊《Journal of The Electrochemical Society》，題為“使用石墨烯納米復(fù)合干涂層抑制富錳層狀氧化物陰極中的過(guò)渡金屬溶解（Suppression of Transition Metal Dissolution in Mn-Rich Layered Oxide Cathodes with Graphene Nanocomposite Dry Coatings）”。

過(guò)去十年，加州理工學(xué)院高級(jí)研究員David Boyd一直致力于開發(fā)制造石墨烯的技術(shù)，石墨烯是一種厚度為1個(gè)原子的碳層，強(qiáng)度極高，導(dǎo)電性比硅等材料更好。2015年，Boyd及其同事發(fā)現(xiàn)可以在室溫下生產(chǎn)高質(zhì)量的石墨烯。在此之前，生產(chǎn)石墨烯需要1,000℃的高溫。

在這一突破之后，人們開始尋找石墨烯的新應(yīng)用。最近，Boyd與JPL技術(shù)專家Will West合作，研究石墨烯能否制造出改進(jìn)的鋰離子電池。

“要展示電池性能的可靠趨勢(shì)，需要一致的材料、一致的電池組裝和在各種條件下的仔細(xì)測(cè)試，”加州理工學(xué)院材料科學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)教授Brent Fultz表示?！靶疫\(yùn)的是，該團(tuán)隊(duì)能夠如此可重復(fù)地完成這項(xiàng)工作，盡管需要一些時(shí)間才能確定。”

鋰離子電池于1991年首次投放市場(chǎng)，徹底改變了日常生活中用電的方式。從手機(jī)到電動(dòng)汽車，人們都依賴鋰離子電池作為相對(duì)便宜、節(jié)能且最重要的是可隨時(shí)充電的能源。

盡管鋰離子電池取得了成功，但它的技術(shù)仍有改進(jìn)空間。例如，Boyd說(shuō)：“特斯拉工程師想要一種經(jīng)濟(jì)高效的電池，可以快速充電，并且在兩次充電之間可以使用更長(zhǎng)的時(shí)間。這就是所謂的充電速率能力。”

West補(bǔ)充道：“在電池的使用壽命內(nèi)，充電次數(shù)越多，需要使用的電池就越少。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)殇囯x子電池利用的資源有限，而安全有效地處理鋰離子電池是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)?！?p>

鋰離子電池的一個(gè)重要特征是它們?cè)诙啻纬潆姾褪褂煤蟮男阅?。電池的工作原理是在電池的兩端（陰極和陽(yáng)極）之間產(chǎn)生化學(xué)能，并將其轉(zhuǎn)化為電能。

陰極和陽(yáng)極中的化學(xué)物質(zhì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)揮作用，它們可能無(wú)法完全恢復(fù)到原始狀態(tài)。一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是陰極材料中過(guò)渡金屬的溶解，這在錳含量高的陰極材料中尤其嚴(yán)重，但對(duì)于鈷含量高的陰極材料來(lái)說(shuō)則不那么嚴(yán)重。

“由于循環(huán)過(guò)程中發(fā)生不必要的副反應(yīng)，陰極中的過(guò)渡金屬逐漸進(jìn)入陽(yáng)極，在那里被卡住并降低陽(yáng)極的性能，”Boyd解釋說(shuō)。這種過(guò)渡金屬溶解（TMD）是使用昂貴的含鈷陰極而不是廉價(jià)的高錳含量陰極的原因之一。

鋰離子電池面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，它們需要的金屬價(jià)格昂貴、稀缺，而且開采方式并不總是負(fù)責(zé)任的。人們一直在尋找提高電池性能的方法，同時(shí)減少或消除鈷的使用，并防止TMD。

工程師們之前知道鋰離子電池陰極上的碳涂層可以減緩或阻止TMD，但開發(fā)一種應(yīng)用這些涂層的方法卻很困難?！把芯咳藛T曾嘗試將石墨烯直接沉積在陰極材料上，但沉積石墨烯通常所需的工藝條件會(huì)破壞陰極材料，”Boyd解釋說(shuō)?！拔覀冄芯苛艘环N在陰極顆粒上沉積石墨烯的新技術(shù)，稱為干法涂層。這個(gè)想法是，有一個(gè)由大顆粒組成的‘宿主’物質(zhì)和一個(gè)由微小顆粒組成的‘客體’物質(zhì)。通過(guò)在特定條件下混合它們，系統(tǒng)可以經(jīng)歷一種稱為‘有序混合’的現(xiàn)象，其中客體顆粒均勻地覆蓋宿主顆粒?！?p>

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，制藥行業(yè)就開始使用干法涂層技術(shù)來(lái)延長(zhǎng)藥片的使用壽命，保護(hù)藥片免受潮濕、光照和空氣的影響。

Boyd回憶說(shuō)：“這是一個(gè)好主意，我們可以將它用在石墨烯上。我們可以先用室溫方法制造石墨烯客體顆?！┓庋b納米顆粒（GEN），然后將少量的石墨烯（重量百分比為1%）干法涂層到主體陰極材料上，這樣石墨烯就可以有效地覆蓋和保護(hù)陰極?！?p>

在實(shí)驗(yàn)室中，用石墨烯復(fù)合材料干法涂覆陰極被證明是成功的。石墨烯涂層大幅降低了TMD，同時(shí)使電池循環(huán)壽命翻了一番，并使電池能夠在比以前更寬的溫度范圍內(nèi)工作。這一結(jié)果讓研究人員感到驚訝。人們認(rèn)為只有連續(xù)涂層才能抑制TMD，而由顆粒組成的干涂層則不能。此外，由于石墨烯是碳的一種形式，因此它廣泛可用且環(huán)保。

這種方法對(duì)電池行業(yè)還有額外的好處?！半姵毓S非常昂貴。人們已經(jīng)投入了大量資金，”Boyd表示?！耙虼耍倪M(jìn)的電池技術(shù)必須具有可擴(kuò)展性，并能適應(yīng)現(xiàn)有電池制造的工作流程，這一點(diǎn)非常重要。我們可以采用幾乎任何陰極材料，只需添加少量GEN，在干式攪拌機(jī)中運(yùn)行幾分鐘，它就會(huì)減少過(guò)渡金屬溶解，提高充電率。這也是涂層技術(shù)的一項(xiàng)進(jìn)步，它為干涂層的使用開辟了很多可能性?！?p>