石墨烯打造更好的电池

加州理工学院校园和 JPL 的研究人员合作设计了一种在锂离子电池阴极上涂覆石墨烯的方法，从而延长了这些广泛使用的充电电池的寿命和性能。

这些努力带来了一项很有希望的发现，它可以提高锂离子电池的性能，减少对钴的依赖，钴是锂离子电池中常用的元素，但很难持续获得。

加州理工学院高级研究科学家大卫-博伊德（David Boyd）在过去十年中一直致力于开发制造石墨烯的技术，石墨烯是一种一原子厚的碳层，强度惊人，比硅等材料更容易导电。2015 年，博伊德及其同事发现可以在室温下生产出高质量的石墨烯。在此之前，石墨烯的生产需要极高的温度，最高可达1000摄氏度。

这一突破之后，人们开始寻找石墨烯的新应用。最近，博伊德与加州理工学院为美国国家航空航天局管理的 JPL 的技术专家威尔-韦斯特（Will West）合作。韦斯特擅长电化学，尤其是改良电池技术的开发。博伊德和韦斯特开始研究石墨烯是否能制造出改进的锂离子电池。现在，他们已经证明了这一点。

加州理工学院材料科学与应用物理学教授芭芭拉-罗恩（Barbara and Stanley R. Rawn, Jr.说”很幸运的是，该团队能够以如此高的可重复性完成这项工作，尽管这需要一些时间来确定”。

锂离子电池于 1991 年首次推向市场，它彻底改变了我们日常生活中的用电方式。从手机到电动汽车，我们都依赖锂离子电池作为相对廉价、节能的能源，最重要的是，它还可以随时充电。

尽管锂离子电池技术取得了成功，但仍有改进的空间。博伊德举例说：”特斯拉的工程师们希望有一种高性价比的电池，既能快速充电，又能在两次充电之间延长运行时间。这就是所谓的充电速率能力。

韦斯特补充道：韦斯特补充说：”在电池的使用寿命内，充电次数越多，需要使用的电池数量就越少。这一点非常重要，因为锂离子电池使用的资源有限，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点是在多次循环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。随着时间的推移，阴极中的化学物质和阳极中的化学物质可能无法完全恢复到原来的状态。一个常见的问题是阴极材料中过渡金属的溶解，这在锰含量较高的阴极材料中尤为严重，而在钴含量较高的阴极材料中则不太严重。

Boyd 解释说：”由于在循环过程中发生了不必要的副反应，阴极中的过渡金属会逐渐进入阳极，并在阳极中被卡住，从而降低阳极的性能。这种过渡金属溶解（TMD）是使用昂贵的含钴阴极而非廉价的高锰阴极的原因。

锂离子电池面临的另一个挑战是，它们需要的金属既昂贵又稀缺，而且并非总是以负责任的方式开采。全球大量的钴供应尤其集中在刚果民主共和国，而这些钴大部分是由所谓的个体矿工开采的：包括儿童在内的自由职业者，他们从事危险而艰苦的体力劳动，却几乎没有报酬。

人们一直在寻找既能提高电池性能，又能减少或消除钴的使用，同时还能防止 TMD 的方法。

这就是石墨烯。工程师们以前就知道，锂离子电池阴极上的碳涂层可以减缓或阻止 TMD，但事实证明，开发应用这些涂层的方法非常困难。”博伊德解释说：”研究人员曾尝试将石墨烯直接沉积在阴极材料上，但沉积石墨烯通常需要的工艺条件会破坏阴极材料。”我们研究了一种在阴极颗粒上沉积石墨烯的新技术，称为干涂层。其原理是，你有一种由大颗粒组成的’主’物质和一种由微小颗粒组成的’客’物质。在特定条件下将它们混合，系统就会出现一种被称为 “有序混合 “的现象，即客体粒子均匀地包裹在宿主粒子上。 ”

石墨烯封装纳米粒子（GEN）。纳米颗粒二氧化硅（SiO2）采用加州理工学院的低温工艺与石墨烯封装在一起。然后将 GEN 干涂层到锂离子电池的阴极上，以提高性能。资料来源：戴维-博伊德

自 20 世纪 70 年代起，干包衣技术就开始在制药业使用，通过保护药片不受潮湿、光线和空气的影响，延长药片的使用寿命。

博伊德回忆说，他当时想：”这是一个好主意，我们或许可以把它用在石墨烯上！我们可以先用我们的室温方法制造石墨烯客体颗粒–石墨烯封装纳米颗粒（GEN），然后将极少量（重量的 1%）的石墨烯干涂到主阴极材料上，这样石墨烯就能有效地覆盖和保护阴极。

实验室证明，在阴极上干涂石墨烯复合材料是成功的。石墨烯涂层大幅降低了 TMD，同时将电池的循环寿命延长了一倍，并使电池能够在比以前更宽的温度范围内工作。这一结果令研究人员大吃一惊。人们原以为只有连续涂层才能抑制 TMD，而由颗粒组成的干涂层则无法抑制 TMD。此外，由于石墨烯是碳的一种形式，因此可以广泛使用，而且对环境友好。

这种方法对电池行业还有额外的好处。”电池工厂非常昂贵。为此投入了大量资金，”博伊德说。”因此，改进后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。我们几乎可以使用任何阴极材料，只需加入少量我们的 GEN，在干混器中运行几分钟，就能减少过渡金属溶解，提高充电率容量。

博伊德说：”这也是涂层技术的一大进步。”它为干式涂料的使用开辟了很多可能性”。

详细介绍这项研究的论文题为 “Suppression of Transition Metal Dissolution in Mn-Rich Layered Oxide Cathodes with Graphene Nanocomposite Dry Coatings”，于 2024 年 11 月 1 日发表在《电化学学会杂志》上（10.1149/1945-7111/ad867f）。该论文的共同作者包括博伊德、富尔茨、库伦-M-奎因（Cullen M. Quine，23 年博士）、加州理工学院研究人员钱宁-安（Channing Ahn）以及 JPL 的韦斯特（West）和贾斯米纳-帕萨利奇（Jasmina Pasalic）。研究得到了 Lewis 和 Diane van Amerongen 以及 Charles Fairchild 的捐赠支持。设备由 Graph Energy Inc.在 JPL 进行的实验得到了 NASA 的支持。