納米工程陽(yáng)極可以提高鋰離子電池的容量和使用壽命嗎？

韓國東國大學(xué)的研究人員最近發(fā)布了一種新型混合負極材料的初步細節，他們將其描述為“鋰離子電池技術(shù)的重大突破”。它可以提高現有制造設施中生產(chǎn)的電池的性能、容量和壽命。新的負極材料通過(guò)納米工程結構實(shí)現了這些改進(jìn)，該結構將氧化石墨烯的卓越導電性與鎳鐵化合物的儲能能力相結合。

他們的研究發(fā)表在《化學(xué)工程雜志^》上1 描述了一種分層異質(zhì)結構復合材料，可在納米級優(yōu)化材料界面（圖 1）。與使用傳統負極材料的電池相比，它顯著(zhù)提高了儲能容量和長(cháng)期循環(huán)穩定性。

圖1. 韓國東國大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種獨特的納米組裝工藝，可生產(chǎn)用于高性能鋰離子負極材料的空心“混合”結構，可用于現有的電池制造設施。

Anode Composite 的測試結果看起來(lái)很有希望

研究期間進(jìn)行的電化學(xué)測試揭示了負極材料的卓越性能。在 100 mA ^g-1 的電流密度下，經(jīng)過(guò) 580 次循環(huán)后，比容量為 1687.6 mAh ^g-1，在容量上超過(guò)了大多數傳統材料，同時(shí)表現出優(yōu)異的循環(huán)穩定性。此外，該材料表現出良好的倍率性能，即使在充電/放電速率顯著(zhù)提高的情況下也能保持高容量，具有高充電/放電能力（20,000 mA/g 時(shí)為 ~283 mAh/g）。

由東國大學(xué) Jae-Min Oh 教授領(lǐng)導的研究人員與慶北國立大學(xué)的 Seung-Min Paek 合作，正在通過(guò)納米級工程材料來(lái)應對這些挑戰。他們的工作重點(diǎn)是一種新型混合材料，旨在最大限度地發(fā)揮其成分的協(xié)同效應。

這種創(chuàng )新的復合材料是一種分層異質(zhì)結構，結合了還原氧化石墨烯 （rGO） 和鎳鐵層狀雙氫氧化物 （NiFe-LDH）。這種獨特的復合材料利用了其組件的特性：rGO 為電子傳輸提供了導電網(wǎng)絡(luò )，而鎳鐵氧化物組件通過(guò)偽電容機制實(shí)現了快速電荷存儲。這種創(chuàng )新設計的關(guān)鍵是豐富的晶界，這有助于高效的電荷存儲。

Seung-Min Paek 教授強調了這項研究的協(xié)作性質(zhì)：“這一突破是通過(guò)不同材料專(zhuān)家之間的密切合作而實(shí)現的。通過(guò)結合我們的優(yōu)勢，我們能夠更有效地設計和優(yōu)化這個(gè)混合動(dòng)力系統。

納米制造混合陽(yáng)極結構

研究人員通過(guò)使用聚苯乙烯 （PS） 珠模板的逐層自組裝技術(shù)生產(chǎn)了這種復合材料。首先，用 GO 和 NiFe-LDH 前驅體包被 PS 珠。然后刪除模板，留下空心球體架構。

之后，受控熱處理誘導 NiFe-LDH 發(fā)生相變。這導致納米晶鎳鐵氧化物 （NiFe₂O₄） 和非晶態(tài)氧化鎳 （a-NiO） 的形成，同時(shí)將 GO 還原為 rGO（圖 2）。

圖2. 用于創(chuàng )建負極材料的 3D 空心導電球體混合矩陣的納米制造工藝的詳細信息。

這種合成產(chǎn)生了一種高度集成的混合復合材料 （rGO/NiFe₂O₄/a-NiO），具有增強的導電性，使其成為鋰離子電池的高效負極材料。中空結構可防止 a-NiO/NiFe₂O₄ 納米顆粒與電解質(zhì)直接接觸，從而提高穩定性。然后，該團隊使用先進(jìn)的表征技術(shù)，例如 X 射線(xiàn)衍射和透射電子顯微鏡，來(lái)確認復合材料的形成。

“令人震驚的細節”

在接受 Electronic Design 的獨家采訪(fǎng)時(shí)，Jae-Min Oh 教授提供了有關(guān)新型負極材料商業(yè)化潛力的更多細節：

ED：將負極材料的生產(chǎn)擴大到商業(yè)產(chǎn)量涉及哪些挑戰？

Jae Min Oh：擴大用于陽(yáng)極的 rGO/a-NiO/ NiFe2O4-HS 雜化材料的生產(chǎn)涉及多項挑戰。首先，使用聚苯乙烯模板的逐層自組裝工藝是精確的，但可能需要優(yōu)化工業(yè)規模的吞吐量和成本。

此外，在惰性氣氛下的熱處理步驟對于保持空心結構和減少結構缺陷至關(guān)重要，這可能會(huì )增加生產(chǎn)復雜性和成本。在大規模生產(chǎn)過(guò)程中確保均勻的粒度分布和結構完整性也是保持性能一致性的關(guān)鍵。

也就是說(shuō)，這項研究是一項基礎研究，重點(diǎn)是提高陽(yáng)極性能的納米制造策略，大規模生產(chǎn)并不是現階段的主要目標。然而，與后來(lái)實(shí)現商業(yè)化的許多基礎研究一樣，我們相信，通過(guò)應用化學(xué)工程技術(shù)來(lái)控制關(guān)鍵工藝參數，可以切實(shí)實(shí)現放大。

現有的鋰離子制造設施能否適應使用新的負極材料，或者是否需要全新的制造工藝？如果它們可以進(jìn)行改造，則需要多少新設備？

擬議的負極材料與當前 LIB 制造中使用的標準漿料鑄造和電極制造技術(shù)兼容。然而，上游工藝，例如空心石墨烯/LDH 雜化球的合成和惰性氣體下的受控熱處理，可能需要調整或額外的模塊。也就是說(shuō)，一旦合成了活性材料，將其集成到傳統的 LIB 架構中就不需要進(jìn)行重大改造。

新材料是否會(huì )顯著(zhù)增加產(chǎn)品的單位成本？它將如何改變每千瓦時(shí)的成本？

由于這項研究的重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)先進(jìn)材料以提高陽(yáng)極性能，因此我們沒(méi)有進(jìn)行成本分析。原材料價(jià)格、加工可擴展性和設備要求等因素都會(huì )影響最終生產(chǎn)成本，因此很難在這個(gè)早期階段提供有意義的估計。同樣，每千瓦時(shí)的成本將取決于本基礎研究范圍之外的許多變量。

是否有粗略估計過(guò)新材料在首次推出時(shí)以及技術(shù)成熟后在容量、充電速度和產(chǎn)品壽命方面的改進(jìn)？

正如我們之前報道的那樣，實(shí)驗室規模的測試表明，我們的負極材料在 580 次循環(huán)后顯示出高達 1687.6 mAh/g 的比容量。我們還了解到，它們表現出高倍率能力（在 20,000 mA/g 時(shí)維持 ~283 mAh/g）。這代表了對傳統負極材料的重大改進(jìn)。

雖然現在預測商業(yè)系統的準確數字還為時(shí)過(guò)早，但偽電容行為和結構穩定性表明，隨著(zhù)技術(shù)的成熟和制造的改進(jìn)，更快的充電速率和更長(cháng)的使用壽命具有廣闊的潛力。

未來(lái)是什么？

Jae-Min Oh 教授總結了這一成就，他說(shuō)：“我們預計，在不久的將來(lái)，儲能材料將超越簡(jiǎn)單地改進(jìn)單個(gè)組件。相反，它們將涉及多種相互作用的材料，這些材料會(huì )產(chǎn)生協(xié)同作用，從而產(chǎn)生更高效、更可靠的儲能設備。這項研究為下一代電子設備提供了一條更小、更輕、更高效的儲能途徑。