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(guó)東國(guó)大學(xué)的研究人員最近發(fā)布了一種新型混合負(fù)極材料的初步細(xì)節(jié)，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(xiàn)有制造設(shè)施中生產(chǎn)的電池的性能、容量和壽命。新的負(fù)極材料通過(guò)納米工程結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了這些改進(jìn)，該結(jié)構(gòu)將氧化石墨烯的卓越導(dǎo)電性與鎳鐵化合物的儲(chǔ)能能力相結(jié)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(jié)構(gòu)復(fù)合材料，可在納米級(jí)優(yōu)化材料界面（圖 1）。與使用傳統(tǒng)負(fù)極材料的電池相比，它顯著提高了儲(chǔ)能容量和長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。

圖1. 韓國(guó)東國(guó)大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的納米組裝工藝，可生產(chǎn)用于高性能鋰離子負(fù)極材料的空心“混合”結(jié)構(gòu)，可用于現(xiàn)有的電池制造設(shè)施。

Anode Composite 的測(cè)試結(jié)果看起來(lái)很有希望

研究期間進(jìn)行的電化學(xué)測(cè)試揭示了負(fù)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(shù)傳統(tǒng)材料，同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，該材料表現(xiàn)出良好的倍率性能，即使在充電/放電速率顯著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(guó)大學(xué) Jae-Min Oh 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員與慶北國(guó)立大學(xué)的 Seung-Min Paek 合作，正在通過(guò)納米級(jí)工程材料來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。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(yīng)。

這種創(chuàng)新的復(fù)合材料是一種分層異質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)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(dú)特的復(fù)合材料利用了其組件的特性：rGO 為電子傳輸提供了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，而鎳鐵氧化物組件通過(guò)偽電容機(jī)制實(shí)現(xiàn)了快速電荷存儲(chǔ)。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是豐富的晶界，這有助于高效的電荷存儲(chǔ)。

Seung-Min Paek 教授強(qiáng)調(diào)了這項(xiàng)研究的協(xié)作性質(zhì)：“這一突破是通過(guò)不同材料專家之間的密切合作而實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)結(jié)合我們的優(yōu)勢(shì)，我們能夠更有效地設(shè)計(jì)和優(yōu)化這個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)。

納米制造混合陽(yáng)極結(jié)構(gòu)

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(fù)合材料。首先，用 GO 和 NiFe-LDH 前驅(qū)體包被 PS 珠。然后刪除模板，留下空心球體架構(gòu)。

之后，受控?zé)崽幚碚T導(dǎo) NiFe-LDH 發(fā)生相變。這導(dǎo)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(fù)極材料的 3D 空心導(dǎo)電球體混合矩陣的納米制造工藝的詳細(xì)信息。

這種合成產(chǎn)生了一種高度集成的混合復(fù)合材料 （rGO/NiFe₂O₄/a-NiO），具有增強(qiáng)的導(dǎo)電性，使其成為鋰離子電池的高效負(fù)極材料。中空結(jié)構(gòu)可防止 a-NiO/NiFe₂O₄ 納米顆粒與電解質(zhì)直接接觸，從而提高穩(wěn)定性。然后，該團(tuán)隊(duì)使用先進(jìn)的表征技術(shù)，例如 X 射線衍射和透射電子顯微鏡，來(lái)確認(rèn)復(fù)合材料的形成。

“令人震驚的細(xì)節(jié)”

在接受 Electronic Design 的獨(dú)家采訪時(shí)，Jae-Min Oh 教授提供了有關(guān)新型負(fù)極材料商業(yè)化潛力的更多細(xì)節(jié)：

ED：將負(fù)極材料的生產(chǎn)擴(kuò)大到商業(yè)產(chǎn)量涉及哪些挑戰(zhàn)？

Jae Min Oh：擴(kuò)大用于陽(yáng)極的 rGO/a-NiO/ NiFe2O4-HS 雜化材料的生產(chǎn)涉及多項(xiàng)挑戰(zhàn)。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(guī)模的吞吐量和成本。

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

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

現(xiàn)有的鋰離子制造設(shè)施能否適應(yīng)使用新的負(fù)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(shè)備？

擬議的負(fù)極材料與當(dāng)前 LIB 制造中使用的標(biāo)準(zhǔn)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?zé)崽幚?，可能需要調(diào)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(tǒng)的 LIB 架構(gòu)中就不需要進(jìn)行重大改造。

新材料是否會(huì)顯著增加產(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(xiàng)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(kuò)展性和設(shè)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(jì)。同樣，每千瓦時(shí)的成本將取決于本基礎(chǔ)研究范圍之外的許多變量。

是否有粗略估計(jì)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(bào)道的那樣，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的測(cè)試表明，我們的負(fù)極材料在 580 次循環(huán)后顯示出高達(dá) 1687.6 mAh/g 的比容量。我們還了解到，它們表現(xiàn)出高倍率能力（在 20,000 mA/g 時(shí)維持 ~283 mAh/g）。這代表了對(duì)傳統(tǒng)負(fù)極材料的重大改進(jìn)。

雖然現(xiàn)在預(yù)測(cè)商業(yè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確數(shù)字還為時(shí)過(guò)早，但偽電容行為和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性表明，隨著技術(shù)的成熟和制造的改進(jìn)，更快的充電速率和更長(zhǎng)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(jié)了這一成就，他說(shuō)：“我們預(yù)計(jì)，在不久的將來(lái)，儲(chǔ)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(chǔ)能設(shè)備。這項(xiàng)研究為下一代電子設(shè)備提供了一條更小、更輕、更高效的儲(chǔ)能途徑。