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合肥研究院高性能鋰離子電池負(fù)極材料研究獲進(jìn)展
2023年12月04日 15:05:13
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：楊 點(diǎn)擊量：9779
近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員孟國(guó)文和韓方明團(tuán)隊(duì)，在高性能鋰離子電池負(fù)極材料研究中取得了新進(jìn)展。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】鋰離子電池是一種二次電池(充電電池)，將鋰離子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成負(fù)極，鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來產(chǎn)生能量。鋰離子電池具有轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)。然而而以石墨為負(fù)極的鋰離子電池難以滿足移動(dòng)設(shè)備、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電網(wǎng)等對(duì)更高能量密度和功率密度的需求，故研發(fā)新型高性能鋰離子電池體系尤為重要。負(fù)極材料是鋰離子電池體系中的關(guān)鍵組成部分，直接關(guān)系到電池的能量和功率性能。因此，研發(fā)比石墨負(fù)極具有更高能量和功率密度的負(fù)極材料具有重要意義。
成本低廉的二氧化錫(SnO2)和四氧化三錳(Mn3O4)等過渡金屬氧化物具有較高的理論比容量，是鋰離子電池的理想負(fù)極材料之一。然而，這類材料的導(dǎo)電性差、在充放電過程中體積變化大，制約了在鋰離子電池中的應(yīng)用。此前，有研究通過納米化以及與各種碳材料導(dǎo)電框架形成復(fù)合結(jié)構(gòu)等措施，提高了過渡金屬氧化物活性材料的導(dǎo)電性，并有效緩釋了其體積膨脹。而在此過程使用了大量的導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、集流體等非活性組分，導(dǎo)致電極材料出現(xiàn)比能量密度低、離子傳輸通道受阻和功率密度低等問題。因此，設(shè)計(jì)構(gòu)筑“一體化”集成的碳框架活性材料載體，對(duì)提升電極容量、倍率性能和穩(wěn)定性等具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員孟國(guó)文和韓方明團(tuán)隊(duì)，在高性能鋰離子電池負(fù)極材料研究中取得了新進(jìn)展。此前，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制了縱-橫互連三維碳管網(wǎng)格膜，并以該網(wǎng)格膜作為對(duì)稱型雙電層電化學(xué)電容器的電極，構(gòu)筑了小型化高性能濾波電容器。以此為基礎(chǔ)，該團(tuán)隊(duì)以這種三維互連碳管網(wǎng)格膜作為骨架，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、導(dǎo)電性好和鋰離子遷移暢通的一體化自支撐鋰離子電池負(fù)極，并剖析了其機(jī)理。
該研究以團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制的三維互連碳管網(wǎng)格膜(3D-CT)為骨架，巧妙地將濕化學(xué)法與化學(xué)氣相沉積法結(jié)合，在三維互連碳管網(wǎng)格膜的碳管內(nèi)壁/腔內(nèi)負(fù)載了存儲(chǔ)鋰離子的活性材料Mn3O4納米顆粒和直徑更小的碳納米管CNTs。這種一體化電極具有如下優(yōu)勢(shì)：三維互連碳管網(wǎng)格膜可作為活性物質(zhì)的良好導(dǎo)電基體，可緩釋嵌鋰過程中Mn3O4納米顆粒的體積膨脹，且一體化結(jié)構(gòu)和筆直孔道可促進(jìn)鋰離子和電子的快速輸運(yùn)；腔內(nèi)填充的小直徑碳納米管CNTs可緩釋Mn3O4納米顆粒的體積膨脹、阻止其團(tuán)聚，并可提升電極的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。研究表明：新型鋰離子電池負(fù)極具有優(yōu)異的循環(huán)和倍率性能，在1 A/g的電流密度下經(jīng)過300次充-放電循環(huán)，可逆比容量達(dá)到865 mAh/g；即使在4 A/g的高電流密度下，這一電池仍具有418 mAh/g的高可逆比容量。
該工作為高性能鋰離子電池負(fù)極的制備開辟了新途徑，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和院合肥研究院院長(zhǎng)基金的支持。
相關(guān)研究成果分別以3D Grid of Carbon Tubes with Mn3O4-NPs/CNTs Filled in their Inner Cavity as Ultrahigh-Rate and Stable Lithium Anode和Enhancing electrochemical energy storage capacity and rate performance of the anode with a 3D interconnected carbon tube-NiO-SnO2 composite scaffold為題，發(fā)表在Energy & Environmental Materials和Science China Materials上。
資料來源：中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
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