【能源】天津大学在锂电池电极材料取得突破成果 电池可能变得更小


  521av大香蕉、筆記本電腦等電子消費品如何更輕更薄,電動汽車如何在有限的車體空間內擁有更長續航裏程的電量……隨著人們對儲能需求的日趨旺盛,對二次電池的性能也提出了越來越高的要求。納米技術可以使電池“更輕”、“更快”,但由于納米材料較低的密度,“更小”成爲橫亘在儲能領域科研工作者面前的一道難題。

  国家杰出青年科学基金获得者、天津大学化工学院杨全红教授研究团队提出“硫模板法”,通过对高体积能量密度锂离子电池负极材料的设计,最终完成石墨烯对活性颗粒包裹的“量体裁衣”,使锂离子电池变得“更小”成为可能。该成果1月26日在线发表在《Nature Communications》(2018, 9, 402)上。

  作为当下使用最广泛的二次电池,锂离子电池具有很高的能量密度。锡、硅等非碳材料有望取代目前商用石墨作为新一代负极材料,大幅提高锂离子电池的质量能量密度(Wh kg-1),但其巨大的体积膨胀严重限制了其体积性能优势的发挥。碳纳米材料构建的碳笼结构被认为是解决非碳负极材料嵌锂时巨大体积膨胀问题的主要手段;但在碳缓冲网络的构建过程中,常常引入过多的预留空间,导致电极材料的密度大幅降低,限制了锂离子电池负极体积性能的发挥。因此对碳笼结构的精确定制,不仅是重要的学术难题,也是新型高性能负极材料产业化的必由之路。

  楊全紅教授研究團隊聯合清華大學、國家納米中心和日本國立材料研究所的合作者在高體積能量密度锂離子電池負極材料設計方面取得突破,基于石墨烯界面組裝,發明了對致密多孔碳籠精確定制的硫模板技術。他們在采用毛細蒸發技術構建致密石墨烯網絡的過程中,引入硫作爲一種可流動的體積模板,爲非碳活性顆粒完成了石墨烯碳外衣的定制。通過調制硫模板使用量,可以精確調控三維石墨烯碳籠結構,實現對非碳活性顆粒大小“合身”的包覆,從而在有效緩沖非碳活性顆粒嵌锂巨大體積膨脹的基礎上,作爲锂離子電池負極表現出優異的體積性能。

  硫模板法的提出,是在三維石墨烯致密網絡中,巧妙利用硫如同“變形金剛”一樣的流動性、無定形,以及易去除等特點,在碳籠結構內部實現對非碳活性顆粒如二氧化錫納米顆粒的緊密包覆。與傳統的“形狀”模板相比,硫模板的最大優勢就是能發揮可塑型的體積模板作用,使緊致的石墨烯籠結構能夠提供適形且尺寸精確可控的預留空間,最終完成針對活性二氧化錫的“量體裁衣”。這種具有合適預留空間且保持高密度的碳-非碳複合電極材料能貢獻出極高的體積比容量,從而大幅度提高锂離子電池的體積能量密度,使锂離子電池變得更小。這種“量體裁衣”的設計思想可以拓展爲普適化的下一代高能锂離子電池和锂硫電池、锂空氣電池等電極材料的構建策略。

  楊全紅教授研究團隊近年來在強調器件體積性能的致密儲能領域取得了一系列重要進展,發明了石墨烯凝膠的毛細蒸發致密化策略,解決了碳材料高密度和孔隙率“魚和熊掌不可兼得”的瓶頸問題,得到高密度的多孔碳材料;追求儲能器件的小體積、高容量,從策略、方法、材料、電極、器件等五個方面提出了高體積能量密度儲能器件的設計原則,最終從超級電容器、鈉離子電容器、锂硫電池、锂空氣電池到锂離子電池實現了高體積容量儲能材料、電極、器件的構建,爲碳納米材料的實用化奠定了基礎,有力推進了基于碳納米材料新型電化學儲能器件的實用化進程。


来源: 澎湃521av大香蕉

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