美國推出第三代硅－石墨烯鋰電池正極材料

加利福尼亞鋰電池研究小組與美國阿貢國家實驗室聯(lián)合推出了第三代硅－石墨烯復(fù)合陽極材料，并采用先進的陰極材料和電解液溶劑，其能量密度達到525 Wh/kg，電池負極容量為1250 mAh/g。

今年早些時候，加利福尼亞電池研究小組與美國阿貢國家實驗室共同研發(fā)鋰電池，結(jié)合硅－石墨烯正極材料和其他先進的電池材料制造出了容量超過400 Ah的方形蓄電池，將應(yīng)用于電動車領(lǐng)域上。

該技術(shù)需要使用先進的氣相沉積法，其理論看似簡單，是將兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個反應(yīng)室內(nèi)，相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。然而，實際上，反應(yīng)室中的反應(yīng)是很復(fù)雜的，有很多必須考慮的因素，如反應(yīng)室內(nèi)的壓力、晶片的溫度、氣體的流動速率、氣體通過晶片的路程、氣體的化學(xué)成份、一種氣體相對于另一種氣體的比率、反應(yīng)的中間產(chǎn)品起的作用以及是否需要其它反應(yīng)室外的外部能量來源加速或誘發(fā)想得到的反應(yīng)等。額外能量來源諸如等離子體能量，也會產(chǎn)生一整套新變數(shù)，如離子與中性氣流的比率，離子能和晶片上的射頻偏壓等。

在鋰電池中該方法的應(yīng)用過程為:將納米硅粒子嵌入到石墨烯層中。這個方法使得在不增加電池容量的情況下，大幅增大了電池陽極的能量密度，解決了鋰電池第一次充電缺乏效率以及隨著充電次數(shù)增加容量變小的問題。

實驗室進行了獨立完整電池單元測試，測試結(jié)果表明其能量密度提高了近3倍，電池正極容量提高了近4倍。目前市場上鋰電池的能量密度為100～180 Wh/kg，而正極容量為325 mAh/g。

這款鋰電池的關(guān)鍵技術(shù)是采用了阿貢實驗室的硅－石墨烯加工工藝，使電池正極的硅粒子在使用時趨于穩(wěn)定(其原本的特性是:體積會隨著充電放電過程而急劇變化)，達到高水平工作效率。雖然硅粒子吸收鋰離子的能力相比其他材料提高了近10倍，但是他在充放電過程中的性能退化也非常明顯。近幾年正是在研究新的正極材料、電解液溶劑，使其能充分吸收鋰離子以達到高效的目的。

美國阿貢實驗室表示，先進的陽極材料最終能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基于石墨烯的材料，成為現(xiàn)今鋰電池正極的新型材料。復(fù)合正極材料能夠與目前大部分新推出的鋰電池的負極材料和電解液溶劑兼容，提升電池性能，降低鋰電池充放電循環(huán)的成本。

未來的兩年內(nèi)，該聯(lián)合研究小組計劃將硅－石墨烯復(fù)合正極材料廣泛應(yīng)用于全球的鋰電池上，并在美國進行小規(guī)模生產(chǎn)用于高端產(chǎn)業(yè)上。

加利福尼亞鋰電池研究小組CEO Phil Roberts表示:“相信先進的硅－石墨烯復(fù)合正極材料在儲能容量和延長電池循環(huán)壽命上將有良好的表現(xiàn)，會在未來2～3年內(nèi)代替目前的硅材料成為大部分鋰電池正極的材料。