導讀:美國的科學家研究了在鋰離子電池電極中使用不同的導電填充材料,發現在鎳鈷錳陰極中添加單壁碳納米管可以提高整個電池的電導率和更高的倍率能力。根據該小組的研究結果,可以為高功率,高能量電池電極的設計供應新的見解。

在改善當今能量存儲技術的眾多途徑中,向電極中添加導電“填充”材料有望帶來更好的速率能力,導電性和整體電池性能。

由得克薩斯大學奧斯汀分校(UTA)領導的科學家解釋說:“盡管已經廣泛開發了各種導電填料,但對這些填料的幾何形狀和尺寸如何影響電極電導率,結構以及最終對電化學的理解高能量存儲系統的性能仍然不足。”

該小組使用三種不同的導電碳材料進行了實驗,以確定哪種材料具有最佳性能。將不同數量的單壁碳納米管、石墨烯納米片和“SuperP”(一種已經在鋰離子電池中通常用作導電填料的炭黑顆粒)添加到鎳鈷錳(NCM)陰極中。

然后使用各種光譜和電化學表征技術測量這些陰極。發表在《應用物理評論》上的論文揭示了用于高能存儲系統的厚電池電極中導電填料的維數效應。

鋰離子電池的應用受到限制,因為它們無法滿足高功率輸出和可逆儲能的要求。重要挑戰集中在開發既能出現高能量又能出現功率的電極體系結構上。作為關鍵成分之一,導電填料在電池電極中起著至關重要的用途,有助于形成導電性和整形電極結構,從而顯著決定倍率能力。

單壁碳納米管(SWCNT)被證明是性能最好的添加劑。該小組觀察到,納米管在NCM顆粒周圍形成了導電涂層,并且還在NCM顆粒之間形成了相互連接的網絡。石墨烯納米片具有相似的效果,但形成的結構不太均勻。

最好的SWCNT電極顯示容量142毫安時每克(mAh/g)的充電率0．2攝氏度,跌至101mAh/g當利率新增到2C組還發現,0．16%的體重SWCNTs足以確保良好的導電性。UTA的余桂華(GuihuaYu)解釋說:“當將導電填料添加到絕緣基質中時,一旦形成穿過復合材料的第一條導電路徑,電導率就會顯著新增。”

該組織表示,其發現表明,以這種方式集成SWCNT可以促進更好的離子和電荷轉移,從而導致性能更好的電池,尤其是在高放電速率下。總體而言,對導電填料行為的進一步了解可以為高能量/功率密度電極的設計打開新的大門。