上海应物所等揭示锂离子嵌入碳纳米管束的精细过程

2011-4-02 14:35 来源: 中国科学院
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  锂离子嵌入碳纳米管束示意图

  中国科学院上海应用物理研究所物理生物学实验室宋波和方海平采用最新的量子分子动力学模拟技术,研究了锂离子嵌入碳纳米管束及其在碳纳米管束中扩散的动态行为。相关研究结果发表在《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science, 4, 1379 (2011),IF=8.5)。

  高充电-放电效率、高容量、高可循环性的能量储存装置是本世纪能源问题的一个核心挑战。锂离子电池是一种广受关注的能量储存装置,利用纳米材料修饰的锂电池电极被认为能够大大提高锂离子电池的性能。揭示锂离子在纳米结构中的运动规律及其机理,可以有力地推进基于锂离子的能量储存方法和技术的发展。

  宋波长期从事将量子力学应用于分子模拟的方法研究和相关源代码开发,该项工作是首次把最新的量子分子动力学方法应用于纳米结构的模拟研究。应用新发展的模拟方法,研究人员首次观察到锂离子嵌入碳纳米管束过程及其在碳纳米管束中扩散行为。特别是,发现嵌在三个碳纳米管之间锂离子受到强大的吸引势后,很难离开该位置。因此,嵌入此类位置的锂离子,在冲电-放电过程中很可能是不可逆的,这将会降低锂离子电池的能量储存能力。深入研究显示,碳纳米管之间的距离对锂离子的嵌入稳定性起关键作用。因此,该理论研究预言:合理的调控碳纳米管之间的距离可以有效地提高冲电-放电过程中可逆的部分,提高充电或者放电效率,实现基于纳米调控的高效能量储存装置。

  这一研究成果对揭示锂离子嵌入碳纳米管束及其在碳纳米管束中扩散的物理机制有重要意义,并且对研制高充电-放电效率的锂离子电池有重要启示。另外,研究所用的量子分子动力学方法具有普适性,还可以广泛的应用于其它纳米结构相关的研究领域。

  该项研究工作由上海应用物理所、大连理工大学和四川大学的研究人员合作完成,得到了中国科学院、国家自然科学基金委、国家科技部和上海市人民政府(通过上海超级计算中心)的共同资助。