目前锂/钠离子电池的研究如火如荼。Super P碳黑具有极高的比表面积和电导率, 已成为锂/钠离子电池中最广泛应用的导电剂。然而, 研究人员对其结构及电化学储锂/钠性能的了解仍非常有限。最近一项研究全面报道了其结构形貌和电化学储存锂/钠离子的性能及反应机理以及黏结剂种类、含量对其吸收锂/钠离子的影响。

该研究相关的论文题为: “The Electrochemical Performance of Super P Carbon Black in Reversible Li/Na Ion Uptake”, 近期发表于《中国科学: 物理学力学天文学》英文版(Science China Physics, Mechanics & Astronomy)第60卷第6期, 由Delft University of Technology的Fokko M. Mulder教授担任通讯作者撰写。

研究者采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman Spectroscopy)等技术对Super P碳黑进行了表征, 揭示了其高度的纳米孔隙率、无定形态和高结构无序度, 说明了其石墨化程度较低。

该研究报道的SuperP碳黑的电化学储锂/钠离子性能(图1), 指出其对锂/钠离子的吸收具有较高的容量、倍率性能和循环稳定性。其中SuperP碳黑储存锂离子的容量高达310mAh g^-1, 而其储存钠离子的容量相对较低(145 mAh g^-1), 原因在于其吸收锂、钠离子的反应机制不同。锂离子嵌于石墨的层状结构之间形成石墨层间化合物, 然而热动力学不利于形成钠的石墨层间化合物。该研究认为Super P碳黑吸收钠离子的反应依照“card-house”模型: 钠离子首先嵌入石墨烯的层间隙, 然后再吸附于Super P碳黑的钠米孔隙之间。

另外, 该研究还首次报道了黏结剂类型及含量对SuperP碳黑储锂/钠性能的影响。文章指出使用羧甲基纤维素钠(NaCMC)黏结剂的电极较使用聚偏氟乙烯(PVDF)黏结剂的电极有更高的循环稳定性, 而且增加黏结剂含量也产生同样的效果。作者解释这是由于NaCMC较PVDF的黏着性更强, 因此其电极结构的整体性在电池充放电循环中得到更好的保持; 增加黏结剂含量的效果与之类似。

图1  Super P碳黑电极(包含90%或60%活性材料)电化学储存锂/钠离子的性能比较(C = 300 mA g^-1)

研究还指出SuperP碳黑的锂/钠化发生在较低的电压区间且呈现一个斜坡电压。该斜坡电压说明在低工作电压的负极(如硅基锂离子电池负极材料)中, Super P碳黑将会提前在高于活性材料的反应电压处被锂/钠化; 而在高工作电压的负极(如Li₄Ti₅O₁₂)或正极中, Super P碳黑则不会被锂/钠化。

作者指出, 这一研究将对其他(使用Super P碳黑导电剂的)锂/钠离子电池的研究提供重要的参考, 是锂/钠离子电池研究中的重要一环。

该研究得到了中国留学基金委(Chinese Scholarship Council (CSC))、非线性力学国家重点实验室开放基金和荷兰经济事务部绿色能源材料项目(A Green Deal in Energy Materials (ADEM))资助。

更多详情请阅原文:

B.Peng, Y. Xu, X. Wang, X. Shi, and F. M. mulder, The electrochemical performanceof super P carbon black in reversible Li/Na ion uptake, Sci. China-Phys. Mech.Astron. 60, 064611 (2017), doi:10.1007/s11433-017-9022-y

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