美國推出第三代硅-石墨烯鋰離子電池正極材料

加利福尼亞鋰離子電池研究小組與美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)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(jìn)的陰極材料和電解液溶劑，其能量密度達(dá)到525瓦時(shí)/千克，電池負(fù)極容量為1250毫安時(shí)/克。今年早些時(shí)候，加利福尼亞電池研究小組與美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā)鋰離子電池，結(jié)合硅-石墨烯正極材料和其他先進(jìn)的電池材料制造出了容量超過400安時(shí)的方形蓄電池，將應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域上。

阿貢實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)要使用先進(jìn)的氣相沉積法，從理論上來說，它是很簡單的：兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室內(nèi)，然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。淀積氮化硅膜(Si3N4)就是一個(gè)很好的例子，它是由硅烷和氮反應(yīng)形成的。然而，實(shí)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，沉積參數(shù)的變化范圍是很寬的：反應(yīng)室內(nèi)的壓力、晶片的溫度、氣體的流動(dòng)速率、氣體通過晶片的路程(如圖所示)、氣體的化學(xué)成份、一種氣體相有關(guān)另一種氣體的比率、反應(yīng)的中間產(chǎn)品起的用途、以及是否要其它反應(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，當(dāng)然會(huì)出現(xiàn)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。

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

實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了獨(dú)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。目前市場上鋰離子電池的能量密度為100-180瓦時(shí)/千克，而正極容量為325毫安時(shí)/克。

這款鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)就是采用了阿貢實(shí)驗(yàn)室的硅-石墨烯加工工藝，使電池正極的硅粒子在使用時(shí)趨于穩(wěn)定（其原本的特性是：體積會(huì)隨著充電放電過程而急劇變化），達(dá)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(dá)到高效的目的。

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充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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美國阿貢實(shí)驗(yàn)室表示，先進(jìn)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)今鋰離子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離子電池的負(fù)極材料和電解液溶劑兼容，提升電池性能，降低鋰離子電池充放電循環(huán)的成本。

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

加利福尼亞鋰離子電池研究小組CEOPhilRoberts表示：我們相信我們先進(jìn)的硅-石墨烯復(fù)合正極材料在儲(chǔ)能容量和延長電池循環(huán)壽命上有良好的表現(xiàn)，并將會(huì)在未來2-3年內(nèi)代替目前的硅材料成為大部分鋰離子電池正極的材料。