华威大学WMG领导的一项新研究已经找到了一种有效的方法，通过用石墨烯梁加强阳极结构来替代使用硅的锂离子电池阳极中的石墨。这可以使可充电锂离子电池的寿命延长一倍以上，并且还可以增加这些电池的容量。
自从索尼最初推出以来，石墨一直是锂离子电池阳极活性材料的默认选择，但研究人员和制造商长期以来一直在寻找一种用硅替代石墨的方法，因为它是一种可重复使用的元素，具有十倍的重量能量石墨密度。不幸的是，硅还有其他一些性能问题继续限制其商业开发。由于其在锂化时的体积膨胀，硅颗粒可以以阻碍进一步充电 - 放电效率的方式电化学聚集。当硅反复充电时，硅本身没有足够的弹性来应对锂化应变，导致阳极复合微结构的破裂，粉化和快速物理降解。这有助于容量衰减，以及在对电极上发生的降解事件 - 阴极。以移动电话为例，这就是为什么我们必须为手机充电的时间越来越长，这也是为什么他们在新手机上不收费的原因。
许多方法都试图克服这些问题。例如，使用具有微米级石墨烯的纳米尺寸/结构化硅颗粒，但这未被证明是令人满意的。使用纳米尺寸的硅颗粒可显着增加可用的反应表面的量。这导致在第一次充电循环期间更多的锂沉积在硅上，在硅和电解质之间形成固体电解质界面间隔，从而大大减少了锂的库存，从而大大减少了电池的使用寿命。该层也继续在硅上生长，因此锂损失变得连续。其他以不同尺寸掺入其他材料如石墨烯的方法被认为是不可行的，然后才能进入大规模生产。
然而，由Warwick大学WMG的Melanie Loveridge博士领导的一项新研究发现并测试了一种新的硅阳极混合物和一种化学改性石墨烯，可以解决这些问题并创造可行的硅阳极锂离子电池。 。这种方法实际上可以在工业规模上制造，而不需要采用硅的纳米尺寸及其相关问题。这项新研究刚于2018年1月23日星期二在科学报告中发表，题为“硅 - 少数层石墨烯(FLG)复合电极系统的相位阻抗研究”。
石墨烯当然是单个，一个原子厚的矿物石墨层(碳的同素异形体)。然而，也可以分离和操纵一些连接的石墨烯层，从而使研究人员将材料称为少层石墨烯(FLG)。之前的研究已经测试了FLG与纳米尺寸硅的使用，但是这项新研究发现，当用于阳极时，FLG还可以显着改善较大微米尺寸硅颗粒的性能。因此，这种混合物可以显着延长锂离子电池的使用寿命，并提供更高的功率。
领导这项研究的梅兰妮·洛弗里奇博士是华威大学WMG的高级研究员，他说：
“FLG的薄片在整个阳极中混合，起到一组强大但相对弹性的梁的作用。这些FLG薄片增加了材料的弹性和弹性，大大减少了锂化过程中硅的物理膨胀造成的损害。石墨烯增强了阳极的长程导电性，并在结构稳定的复合材料中保持低电阻。
“更重要的是，这些FLG薄片在保持硅颗粒之间的分离程度方面也非常有效。每个电池充电周期都会增加硅颗粒相互电化学焊接的可能性。这种增加的聚集作用越来越多地减少和限制电解质的进入电池中的所有颗粒都会阻碍锂离子的有效扩散，这当然会降低电池的寿命和功率输出.WWG大学测试的混合物中FLG的存在使得研究人员假设这种现象非常有效减轻电化学硅融合。这得到了系统调查的支持“
WMG研究小组已经开始进一步开展这项技术进步的工作，其中包括进一步的研究和研究，作为由Varta Micro-innovations领导的石墨烯矛头两年项目的一部分，Warwick大学的WMG是剑桥大学的合作伙伴， CIC，Lithops和IIT(意大利理工学院)。该项目的主要目标是推进硅 /石墨烯复合材料的工业化前生产及其后续加工成锂离子电池适用于高能量和高功率应用。作为该项目的一部分，Warwick的WMG将优化电极研究，放大和优化锂离子电池的袋式电池制造。