鋰電池起火的原因在于電池快速循環(huán)或充放電，以及電池內(nèi)積聚的高溫。上述情況會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部的陰極（大多數(shù)情況下，陰極都是含有鋰的氧化物，通常是鋰鈷氧化物）分解并釋放氧氣。而電解質(zhì)在高溫下會(huì)分解釋放出易燃品，如果氧氣與此類易燃品相結(jié)合，就會(huì)發(fā)生自燃。

 

伊利諾伊大學(xué)芝加哥工程學(xué)院機(jī)械和工業(yè)工程副教授兼該論文的通訊作者Reza Shahbazian-Yassar表示：“我們認(rèn)為，如果有一種方法，可以防止陰極釋放的氧氣與電池內(nèi)其他易燃品相結(jié)合，我們就可以降低起火的可能性。”

 

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石墨烯材料就是完美的解決方案，石墨烯是一種具有獨(dú)特性質(zhì)的超薄碳原子層。Shahbazian-Yassar與他的同事以前曾使用過石墨烯調(diào)節(jié)鋰金屬電池電極上積聚的鋰。

 

Shahbazian-Yassar與他的同事都知道，氧原子無法從石墨烯片中滲出。此外，石墨烯還具有強(qiáng)度高、柔韌性好、可導(dǎo)電等優(yōu)點(diǎn)。他們認(rèn)為，如果用石墨烯將鋰電池的鈷酸鋰陰極小顆粒包裹起來，就可能阻止氧氣逸出。

 

首先，研究人員用化學(xué)方法改變了石墨烯，使其具有導(dǎo)電性。接下來，他們將鈷酸鋰陰極電極的微小顆粒包裹在導(dǎo)電的石墨烯中。當(dāng)研究人員使用電子顯微鏡，觀察被石墨烯包裹的鈷酸鋰顆粒時(shí)發(fā)現(xiàn)，與未包裹石墨烯的顆粒相比，在高溫下，釋放的氧氣明顯減少。

 

接下來，研究人員將被石墨烯包裹的顆粒與粘合材料相結(jié)合，形成了一個(gè)陰極，集成至鋰金屬電池中。當(dāng)研究人員測量電池循環(huán)過程中氧氣釋放情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使在非常高的電壓下，也幾乎沒有氧氣從陰極中逸出。即使在200次充放電循環(huán)之后，鋰金屬電池的表現(xiàn)仍然很好。

 

Sharifi-Asl表示：“與傳統(tǒng)的鋰金屬電池相比，陰極包裹了石墨烯的電池在快速循環(huán)后僅損失了約14%的容量，而在相同條件下，傳統(tǒng)鋰金屬電池的性能下降了約45%”。

 

Shahbazian-Yassar表示：“石墨烯是阻止氧氣進(jìn)入電解質(zhì)的理想材料。該材料不透氧、可導(dǎo)電、具柔韌性，強(qiáng)度高，能夠承受電池內(nèi)部條件。而且其只有幾納米厚，因此不會(huì)額外增加電池的質(zhì)量。我們的研究表明，在陰極中使用石墨烯可減少氧氣的釋放，可能是將電池起火風(fēng)險(xiǎn)顯著降低的一種方法，而此類電池為手機(jī)和汽車提供動(dòng)力”。由于負(fù)極比容量比正極高得多，所以提升電池容量主要依靠改善負(fù)極組成。當(dāng)前商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極材料為石墨，其作為新能源汽車用動(dòng)力電池，存在以下問題：（1）續(xù)航里程短，當(dāng)前主流純電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程在300 km以內(nèi)；（2）充電時(shí)間長，即使使用最先進(jìn)的充電技術(shù)，充電時(shí)間也往往在30 min以上；（3）能量密度低，主要集中在150 W·h/kg左右，即使采用高鎳三元正極，也只能做到220 W·h/kg。基于此，我國“十三五”新能源汽車試點(diǎn)專項(xiàng)的共性關(guān)鍵技術(shù)類研究項(xiàng)目“高比能量鋰離子電池技術(shù)”提出：到2020年，電池單體能量密度≥300W·h /kg，循環(huán)壽命≥1500次，成本≤0.8元/ （W·h），安全性能達(dá)到國標(biāo)要求。在近幾年國家對于新能源汽車補(bǔ)貼政策的變化上得到更加直觀的體現(xiàn)：補(bǔ)貼金額逐年退坡，門檻持續(xù)提升，具體情況如表1所示。因此，在當(dāng)前商業(yè)化應(yīng)用電池材料體系基礎(chǔ)上，如何開發(fā)出新型高性能復(fù)合電極材料，具有重要的科學(xué)意義和產(chǎn)業(yè)化價(jià)值。