东丽在正极的一部分使用石墨烯,电池的输出功率提高1倍

2016-11-290阅读0

  东丽于2016年11月25日宣布,将采用自主技术制造的多层石墨烯用于正极的导电助剂时,发现锂离子充电电池的输出密度提高了大约1倍,能量密度提高了20%。该公司正考虑2019年量产这种多层石墨烯,“目标是2020年左右销售额达到几十亿日元,几年后达到几百亿日元”(东丽)。据该公司介绍,还打算在纯电动汽车市场迅速扩大的中国进行推广。技术详情将在2016年11月29日~12月1日于千叶县举行的学会“第57届电池讨论会”上公布。

  

原来典型的多层石墨烯制备方法(上)和此次东丽的方法(下)

  表面处理采用神经传递物质多巴胺

  一般而言,锂离子充电电池中,电极采用的活性物质导电性并不高。这种情况下,大多通过添加导电助剂来确保向电池外侧导出电流的集电体与活性物质之间的导电性。原来,导电助剂经常使用便宜的碳材料——由乙炔等碳化而成的碳黑。

  

正极的导电助剂采用碳黑(左)、原来的多层石墨烯(中)、东丽的多层石墨烯(右)时正极外观的差异

  此次,东丽作为导电助剂的一部分或全部采用了10层左右的多层石墨烯,验证了电池的特性。结果发现,电池的容量密度和输出密度都得到提高。尤其是,即使输出密度很高,放电容量也不容易降低。

  

作为正极的导电助剂,分别使用碳黑(黑线)、没做表面处理的石墨烯(红线)、利用多巴胺做过表面处理的石墨烯(蓝线)时电池性能的比较

  放电频率1C相当于放电60分钟后。3C相当于放电20分钟后,5C相当于放电12分钟后,10C相当于放电6分钟后。

  具体而言,导电助剂采用碳黑的电池快速放电12分钟时的放电容量会降至缓慢放电1小时时的1/2以下。而导电助剂采用东丽的多层石墨烯时,即使放电12分钟,放电容量也只降低1成多。

  这种效果还会随着碳黑与多层石墨烯的比例而改变。据东丽介绍,当碳黑与多层石墨烯的比例为1:1时,输出功率提高了约1倍,导电助剂全部采用多层石墨烯时,能量密度提高了约20%。

  吸附多巴胺,抑制凝集

  过去也有很多人尝试将石墨烯用于正极的导电助剂。这时,一般是首先氧化石墨,通过加载超声波等剥离石墨烯后,再还原使用。但是,很多情况下,电池的功能并未得到提高。原因是这样制备的石墨烯非常容易凝集,不能起到导电助剂的作用。

  东丽此次氧化石墨并剥离多层石墨烯后,使其吸附脑内神经传递物质——多巴胺(化学式是C8H11NO2),然后还原,从而防止其在溶剂中凝集,使其稳定地分散开。

  得到的多层石墨烯是厚度为3n~5nm的约10层左右的石墨烯,只有原来还原石墨烯的1/4~1/3薄。东丽表示,由于凝集少且各石墨烯都很薄,所以表现出了很强的导电助剂性能。

  之所以选择使用多巴胺来抑制凝集,“是因为多巴胺与石墨烯的吸附性强,并且凝集抑制效果出色”(东丽)。据东丽介绍,还发现了具有相同构造的几种其他材料。

  还具有延长充放电循环寿命的效果

  东丽表示采用该技术,还有望获得延长电池充放电循环寿命的效果。已有几项研究通过采用石墨烯作为Si类负极的导电助剂,来吸收Si材料膨胀收缩的影响。此次的结果表明正极也有这种效果。(记者:野泽哲生)

  (全文完)