电泳沉积法制备超轻石墨烯薄膜提升锂离子和锂硫电池性能的研究

为解决高比能电池中电极/电解质界面阻抗大、活性材料利用率低等问题，研究人员通过电泳沉积(EPD)技术在LNMO电极和商用PP隔膜上制备超轻石墨烯薄膜(pPD-rGO/LDG)。该技术使LNMO电极在9 mg/cm2高负载下循环1000次容量保持率达80.2%，硫正极(5 mg/cm2)在0.5C下循环250次容量衰减率仅0.068%/次，显著提升了电池界面稳定性和导电性。

　　

随着电动汽车的快速发展，高比能电池成为研究热点，但锂镍锰氧(LiNi_0.5Mn_1.5O₄, LNMO)和锂硫(Li-S)电池在实际应用中面临严峻挑战：LNMO在高电压下会发生锰溶出和电解液分解，而Li-S电池则受困于硫的绝缘性和多硫化物的穿梭效应。传统解决方案往往需要引入过重的功能层材料，反而降低了电池的能量密度。

针对这一难题，中国的研究团队创新性地采用电泳沉积(Electrophoretic Deposition, EPD)技术，在电极和隔膜表面构建超轻石墨烯功能层。他们设计了一种新型EPD装置，成功在LNMO电极上制备出仅19 μg/cm²的对苯二胺还原氧化石墨烯(pPD-rGO)薄膜，使电极在9 mg/cm²高负载下仍保持115.6 mAh/g的比容量，1000次循环后容量保持率提升至80.2%。更引人注目的是，该团队开发的低缺陷石墨烯(LDG)改性聚丙烯(PP)隔膜，面积密度仅100 μg/cm²（相当于隔膜重量的5.5%），用于高硫负载电极(5 mg/cm²)时，在0.5C下展现出738.9 mAh/g的可逆容量，250次循环后容量衰减率低至0.068%/次。

关键技术包括：1) 优化pPD-rGO乙醇悬浮液体系实现稳定电泳沉积；2) 设计专用EPD装置批量制备超长石墨烯薄膜；3) 通过拉曼光谱和XPS表征材料缺陷程度；4) 采用电化学阻抗谱(EIS)分析界面阻抗变化。

材料表征结果显示：pPD-rGO薄膜的I_D/I_G比值(0.89)低于常规rGO(1.05)，证明其具有更完整的sp²碳结构；XPS分析表明pPD-rGO的C/O比高达8.2，显著提升了导电性。

电化学性能测试表明：LNMO/pPD-rGO电极在1C倍率下的极化电压差比空白电极降低42mV；PP/LDG隔膜组装的Li-S电池在0.2C下150次循环容量保持率达81.1%，远高于对照组的58.3%。

机理分析指出：超轻石墨烯薄膜通过三重作用提升性能：1) 物理阻隔Mn²⁺溶解和多硫化物扩散；2) 构建三维导电网络促进电荷传输；3) 稳定电极/电解质界面抑制副反应。这项研究不仅证实了EPD技术在电池材料改性中的独特优势，更为高比能电池的实用化提供了新思路。论文发表在《Journal of Energy Storage》上，为石墨烯表面修饰策略的工业化应用奠定了重要基础。