化学所在高性能锂离子电池电极材料研究方面取得系列进展

2011-11-10 10:03 来源: 中国科学院
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  为了适应消费电子、电动汽车和储能领域的发展,需要开发更高能量密度、功率密度、循环次数和安全性的锂离子电池。其中高容量、高倍率性能和循环稳定的电极材料的开发是关键,也是研究热点和难点。

  在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室的研究人员,设计并构筑出可方便形成三维导电网络的同轴“纳米电缆”结构高性能复合电极材料,取得系列进展(Chem. Mater., 2010, 22, 1908; Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 2014; Adv. Mater., 2011, 23, 4415),并在Energy. Environ. Sci.上发表了综述论文。

  该课题组研究人员长期致力于高效、稳定的高倍率锂离子电池电极材料研究(Adv. Mater., 2008, 20, 2878; Adv. Mater., 2008, 20, 1160; Adv. Mater., 2009, 21, 2710; Adv. Mater., 2010, 22, 4591)。最近,他们研究发现,同轴“纳米电缆”结构可有效解决电极材料不能同时高效传导锂离子与电子的问题(图1)。他们成功制备出结构形貌可控的CNT@TiO2纳米电缆,发现了新奇的“协同储锂效应”。一方面,CNT核为Li在TiO2鞘壳中的存储提供了电子通道;另一方面,由于在CNT上包覆的介孔TiO2层具有相对稳定的表/界面可以减少SEI膜的生成,从而为Li在CNT中的存储提供了快速离子传输通道,CNT本身的循环性能也因此大大提高。该“协同储锂效应”的发现为开发高容量、高倍率、稳定的电极材料提高了新思路(Chem. Mater., 2010, 22, 1908–1914)。文章在网上发表后被英国皇家化学会的Chemistry World (March 2010, P26)选为研究亮点并进行了报道。

  在利用“纳米电缆”构筑“三维导电网络”结构电极材料时,他们发现还可以通过构筑内嵌Cu纳米线集流体的方式来实现(Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 20142020)。

  此外,他们与德国科研人员一起还设计并构筑出表界面稳定的同轴“纳米电缆”结构高容量Si基负极材料。成功实现了直接在Cu集流体上生长Cu@Si@Al2O3复合结构纳米电缆阵列。研究表明,Cu纳米线内核可以提供快速的电子传输并起到有效的结构支撑作用,Al2O3包覆层具有相对稳定的表/界面,可以减少SEI膜的生成。当该复合纳米电缆作为锂离子电池负极材料时,表现出优异的循环稳定性和较高的储锂容量。研究结果发表在近期的Adv. Mater.(2011, 23, 4415)上。

  应英国皇家化学会Energy & Environmental Science期刊邀请,研究人员撰写了综述性Perspective论文,系统介绍了纳米电缆结构电极材料在锂离子电池中的应用及未来的发展前景(Energy. Environ. Sci. 2011, 4, 1634-1642),并被选为期刊的封底(Back Cover)(图3)。

图1 同轴纳米电缆结构电极材料及其形成的“三维导电网络”示意图

图2 Cu@Si@Al2O3复合结构纳米电缆

 

图3  Energy. Environ. Sci. 2011年第4期封底