石墨烯海绵添加剂可用于增强锂电池性能

锂电池已成为非常理想的产品，特别是在移动设备和高效节能运输车辆中。为了满足当前的需求，锂离子电池需要不断提高的两个性能是倍率性能和功率性能。

来自日本NEC公司的研究员钱成开发了一种多孔石墨烯海绵添加剂，也称为MagicG，可用于锂离子电池的阳极和阴极，以提高其速率和功率性能。

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LiMO2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。

MagicG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MagicG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）（HitachiH-90000UHR），原子力学显微镜（AFM）（BrukerNanoScopeVDimensionIcon），傅里叶变换红外（FT-IR）（Varian7000FT-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）（ShimadzuGC/MS-QP2010Plus）。

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MagicG，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％。

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MagicG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。