盖世汽车讯 据外媒报道，加州理工学院（Caltech）和美国宇航局喷气推进实验室（JPL）的研究人员合作设计出用石墨烯涂覆锂离子电池阴极的方法，从而延长了这种广泛使用的可充电电池的寿命和性能。

图片来源：加州理工学院

结果发现，该方法可能改善锂离子电池的性能并减少对钴的依赖，其中钴是锂离子电池中经常使用的一种元素，但难以持续采购。

相关论文已发表于期刊《Journal of The Electrochemical Society》，题为“使用石墨烯纳米复合干涂层抑制富锰层状氧化物阴极中的过渡金属溶解（Suppression of Transition Metal Dissolution in Mn-Rich Layered Oxide Cathodes with Graphene Nanocomposite Dry Coatings）”。

过去十年，加州理工学院高级研究员David Boyd一直致力于开发制造石墨烯的技术，石墨烯是一种厚度为1个原子的碳层，强度极高，导电性比硅等材料更好。2015年，Boyd及其同事发现可以在室温下生产高质量的石墨烯。在此之前，生产石墨烯需要1,000℃的高温。

在这一突破之后，人们开始寻找石墨烯的新应用。最近，Boyd与JPL技术专家Will West合作，研究石墨烯能否制造出改进的锂离子电池。

“要展示电池性能的可靠趋势，需要一致的材料、一致的电池组装和在各种条件下的仔细测试，”加州理工学院材料科学和应用物理学教授Brent Fultz表示。“幸运的是，该团队能够如此可重复地完成这项工作，尽管需要一些时间才能确定。”

锂离子电池于1991年首次投放市场，彻底改变了日常生活中用电的方式。从手机到电动汽车，人们都依赖锂离子电池作为相对便宜、节能且最重要的是可随时充电的能源。

尽管锂离子电池取得了成功，但它的技术仍有改进空间。例如，Boyd说：“特斯拉工程师想要一种经济高效的电池，可以快速充电，并且在两次充电之间可以使用更长的时间。这就是所谓的充电速率能力。”

West补充道：“在电池的使用寿命内，充电次数越多，需要使用的电池就越少。这一点很重要，因为锂离子电池利用的资源有限，而安全有效地处理锂离子电池是一项非常具有挑战性的任务。”

锂离子电池的一个重要特征是它们在多次充电和使用后的性能。电池的工作原理是在电池的两端（阴极和阳极）之间产生化学能，并将其转化为电能。

阴极和阳极中的化学物质随着时间的推移而发挥作用，它们可能无法完全恢复到原始状态。一个常见的问题是阴极材料中过渡金属的溶解，这在锰含量高的阴极材料中尤其严重，但对于钴含量高的阴极材料来说则不那么严重。

“由于循环过程中发生不必要的副反应，阴极中的过渡金属逐渐进入阳极，在那里被卡住并降低阳极的性能，”Boyd解释说。这种过渡金属溶解（TMD）是使用昂贵的含钴阴极而不是廉价的高锰含量阴极的原因之一。

锂离子电池面临的另一个挑战是，它们需要的金属价格昂贵、稀缺，而且开采方式并不总是负责任的。人们一直在寻找提高电池性能的方法，同时减少或消除钴的使用，并防止TMD。

工程师们之前知道锂离子电池阴极上的碳涂层可以减缓或阻止TMD，但开发一种应用这些涂层的方法却很困难。“研究人员曾尝试将石墨烯直接沉积在阴极材料上，但沉积石墨烯通常所需的工艺条件会破坏阴极材料，”Boyd解释说。“我们研究了一种在阴极颗粒上沉积石墨烯的新技术，称为干法涂层。这个想法是，有一个由大颗粒组成的‘宿主’物质和一个由微小颗粒组成的‘客体’物质。通过在特定条件下混合它们，系统可以经历一种称为‘有序混合’的现象，其中客体颗粒均匀地覆盖宿主颗粒。”

自20世纪70年代以来，制药行业就开始使用干法涂层技术来延长药片的使用寿命，保护药片免受潮湿、光照和空气的影响。

Boyd回忆说：“这是一个好主意，我们可以将它用在石墨烯上。我们可以先用室温方法制造石墨烯客体颗粒——石墨烯封装纳米颗粒（GEN），然后将少量的石墨烯（重量百分比为1%）干法涂层到主体阴极材料上，这样石墨烯就可以有效地覆盖和保护阴极。”

在实验室中，用石墨烯复合材料干法涂覆阴极被证明是成功的。石墨烯涂层大幅降低了TMD，同时使电池循环寿命翻了一番，并使电池能够在比以前更宽的温度范围内工作。这一结果让研究人员感到惊讶。人们认为只有连续涂层才能抑制TMD，而由颗粒组成的干涂层则不能。此外，由于石墨烯是碳的一种形式，因此它广泛可用且环保。

这种方法对电池行业还有额外的好处。“电池工厂非常昂贵。人们已经投入了大量资金，”Boyd表示。“因此，改进的电池技术必须具有可扩展性，并能适应现有电池制造的工作流程，这一点非常重要。我们可以采用几乎任何阴极材料，只需添加少量GEN，在干式搅拌机中运行几分钟，它就会减少过渡金属溶解，提高充电率。这也是涂层技术的一项进步，它为干涂层的使用开辟了很多可能性。”