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美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室(LLNL)的研究人員發現,只要在鋰離子電池的電極中添加氫元素,就能大幅提高電池容量,進而延長運轉時間,加速傳輸操作。 鋰離子電池屬於可充電電池類型,放電時鋰離子從電池內部移動至正極,充電時正極的鋰離子又移動回負極。 鋰離子電池屬於可充電電池類型,放電時鋰離子從電池內部移動至正極,充電時正極的鋰離子又移動回負極。
鋰離子電池有幾個關鍵特性,電壓,和能量密度,這些特性的表現最終是由鋰離子和電極材料的結合決定的。 在電極結構中,化學和形狀的細微變化可能會顯著影響鋰離子如何與其強鍵結合。 利弗莫爾國家實驗室的研究人員透過實驗和計算發現,在鋰離子電池中,經過氫處理的石墨烯泡沫電極表現出更高的容量和更快的傳輸能力。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室材料科學家莫里斯旺表示:“這些發現提供了高品質的分析,有助於設計基於石墨烯材料的高功率電極。” 他也是這篇發表在自然科學報告(NatureScientificReports Journal)上的論文的作者之一。 伽瑪材料在包括鋰離子電池和超級電容器在內的儲能元件的商業化應用,嚴重影響了以較低成本生產這種材料的能力。
常用的化學合成方法最終會留下大量的氫原子,這對石墨烯電化學性能的影響造成難以確定的因素。 利弗莫爾實驗室的研究人員在實驗中發現,氫元素刻意提高富晶粒石墨烯的基體溫度處理,竟然能提高倍率容量。 氫元素的缺陷與石墨烯中的缺陷相結合後,打開了更小的孔隙,可以促使鋰離子更容易穿透,從而提高傳輸速率。
透過附著在新邊緣的鋰離子(最有可能附著在氫元素上)可以提供更多的可循環容量。 利弗莫爾實驗室材料科學博士後研究員、該研究論文的重要作者說:“電極性能的提升是一個重要的突破,可以開啟更多的現實世界的應用。” 為了利用氫化作用和氫化缺陷對石墨烯鋰離子儲存性能的影響,研究人員應用不同的熱處理條件來改變結合氫元素的暴露,並專注於其3D石墨烯奈米泡沫(GNF)的電化學性能。
由有缺陷的石墨烯組成。 研究人員之所以選擇3D石墨奈米泡沫,是因為它具有多種潛在應用,包括儲氫、催化、過濾、絕緣、能量吸收、電容脫鹽、超級電容器和鋰離子電池等。 石墨烯3D泡沫無膠合劑的特性由於添加劑較為複雜,因此可作為機理研究的理想選擇。
「我們發現,經過氫元素的處理,石墨烯泡沫電極有了明顯的進步。 結合本次實驗,我們將追蹤缺陷與氫溶液之間的微妙相互作用和進展。 針對石墨烯化學和形貌的一些微小變化,有可能在性能上帶來令人驚訝的顯著效果這一結果,“LLNL 的研究人員也同樣對這項研究有自己的看法”,這項研究的另一位作者 Brandonwood 也說道。
根據這項研究,這種可控的氫元素處理也可以用於其他石墨烯基負極材料,實現最佳化的鋰離子傳輸和可回收儲存應用。