合肥研究院高性能鋰離子電池負極材料研究獲進展
【化工儀器網 項目成果】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)中形成負極，鋰離子在正極和負極之間移動來產生能量。鋰離子電池具有轉換效率高、循環壽命長、能量密度高等優點。然而而以石墨為負極的鋰離子電池難以滿足移動設備、電動汽車和儲能電網等對更高能量密度和功率密度的需求，故研發新型高性能鋰離子電池體系尤為重要。負極材料是鋰離子電池體系中的關鍵組成部分，直接關系到電池的能量和功率性能。因此，研發比石墨負極具有更高能量和功率密度的負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極材料之一。然而，這類材料的導電性差、在充放電過程中體積變化大，制約了在鋰離子電池中的應用。此前，有研究通過納米化以及與各種碳材料導電框架形成復合結構等措施，提高了過渡金屬氧化物活性材料的導電性，并有效緩釋了其體積膨脹。而在此過程使用了大量的導電劑、粘結劑、集流體等非活性組分，導致電極材料出現比能量密度低、離子傳輸通道受阻和功率密度低等問題。因此，設計構筑“一體化”集成的碳框架活性材料載體，對提升電極容量、倍率性能和穩定性等具有重要的理論意義和實際應用價值。
近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員孟國文和韓方明團隊，在高性能鋰離子電池負極材料研究中取得了新進展。此前，該團隊創制了縱-橫互連三維碳管網格膜，并以該網格膜作為對稱型雙電層電化學電容器的電極，構筑了小型化高性能濾波電容器。以此為基礎，該團隊以這種三維互連碳管網格膜作為骨架，構建了結構穩定、導電性好和鋰離子遷移暢通的一體化自支撐鋰離子電池負極，并剖析了其機理。
該研究以團隊創制的三維互連碳管網格膜(3D-CT)為骨架，巧妙地將濕化學法與化學氣相沉積法結合，在三維互連碳管網格膜的碳管內壁/腔內負載了存儲鋰離子的活性材料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勢：三維互連碳管網格膜可作為活性物質的良好導電基體，可緩釋嵌鋰過程中Mn3O4納米顆粒的體積膨脹，且一體化結構和筆直孔道可促進鋰離子和電子的快速輸運；腔內填充的小直徑碳納米管CNTs可緩釋Mn3O4納米顆粒的體積膨脹、阻止其團聚，并可提升電極的導電性和結構穩定性。研究表明：新型鋰離子電池負極具有優異的循環和倍率性能，在1 A/g的電流密度下經過300次充-放電循環，可逆比容量達到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極的制備開辟了新途徑，具有重要的理論意義和實際應用價值。研究工作得到國家自然科學基金和院合肥研究院院長基金的支持。
相關研究成果分別以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，發表在Energy & Environmental Materials和Science China Materials上。
資料來源：中國科學院合肥物質科學研究院
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