青岛能源所在仿生储能材料方面取得系列进展

2011-8-31 11:33 来源: 中国科学院
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  开发高性能电极材料是储能电池研究的核心科学问题之一。近日,中国科学院青岛生物能源与过程研究所仿生能源系统团队负责人、中科院“百人计划”入选者崔光磊研究员等在储能电池电极材料研究方面取得一系列重要进展。

  一般来讲,储能电池(以锂离子电池为例)有3个主要的动力学过程:锂离子在电解液中的传输过程;锂离子在电解液与电极表面的跃迁过程;锂离子在电极材料中的化学扩散过程(图1)。其中,第三个过程是决定性步骤。另外,这个过程还要符合扩散方程的限制,锂离子在固体电极材料中的扩散时间(τ)与扩散长度(L)的平方成正比,即:τ=L2/2D(D为锂离子的扩散系数)。当电极材料尺寸变小时,由于扩散路径缩短,锂离子在电极材料中的扩散时间减少,使得电极材料的倍率性能得以提高。

  崔光磊团队以纳米结构的混合传输(电子和离子)电极材料为设计核心,兼顾构筑快速有效的传输网络和有利的界面,研究开发了高性能储能电池电极材料和电池新技术(图2)。基于氮化钛(TiN)具有良好的导电性、高化学稳定性和较好的经济性,设计了新型纳米结构的TiN/MnO2材料(Energy Environ. Sci., 2011, 4 (9), 3502 – 3508)、介孔TiN纳米球(ACS applied material interf. 2011, 3, 93-98)以及同轴的TiN-VN材料(ACS applied material interf. 2011, DOI:10.1021/am200564b)用作高能电容器的电极材料。研究结果表明,上述复合材料能表现出较好的混合导电性并发挥较高的容量,可兼顾材料的能量和功率密度。其中,介孔TiN纳米球在较高的功率密度下,仍可保持45.0 Wh kg−1的能量密度。

  锂空气二次电池理论上具有很高的能量密度(大于锂离子电池的十倍)。为满足动力电池对锂电池能量密度的需求,该团队利用氮搀杂石墨烯/MoN复合物构筑了新型的空气极材料,该材料具有优异的催化活性,大大减少放电极化,提高能量的利用率(Chem. Com. 2011, DOI:10.1039/C1CC14427H)。同时,利用生物酶和TiN的导电阵列,构筑结构仿生的生物空电池(Biosensors and Bioelectronics 26 (2011) 4088–4094)。

  崔光磊团队同时还与德国马普协会固态所、金属所和胶体所的Joachim Maier教授、Antonietti Markus教授等合作,在材料储锂机理上展开深入的基础研究,采用氮化碳模板法设计出一种新型的Ti-V-N/C纳米复合材料,内部构筑多相界面。该种材料表现出很好的界面储锂的性质,在大电流下,该材料也表现出较好的倍率性能(ChemPhysChem 2010, 11, 3219–3223)。

  该团队与中科院物理所陈立泉院士、谷林教授等合作,研究氮搀杂对石墨烯的结构与储锂物性的构效关系以及相应的界面动力学行为,结果表明氮搀杂为石墨烯片层提供了更多的锂活性位点,且氮搀杂可以大大减少界面阻抗(J. Mater. Chem., 2011, 21, 5430-5434),后期深入工作发现界面上产生了Li3N (快离子导体)及其衍生物是大大减少界面阻抗,形成有利的SEI界面的主要原因;在研究氮搀杂石墨烯/VN复合物过程中,利用EELS、外场的XRD和高分辨电镜技术发现复合物(VN活性低)需不断活化后跟锂反应,导致容量的不断提高(J. Mater. Chem., 2011, DOI: 10.1039/c1jm11710f),并基于上述机理开发了高功率锂离子电池电容器的电极材料(中国发明专利ZL201010104003.1)。

  相关研究得到了科技部重大研究计划(973) 、国家自然科学基金、中科院“百人计划”、山东省杰出青年基金等项目的支持。

图1 锂离子在锂锂离子二次电池中的3个主要的动力学过程 [By Prof. Joachim Maier]

图2 纳米结构的混合传输(电子和离子)电极材料设计理念

图3 氮搀杂石墨烯/VN复合物的TEM(左)和EELS图(说明循环后锂离子被不断嵌入VN)