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合肥研究院高性能鋰離子電池負(fù)極材料研究獲進展
2023年12月04日 15:05:13
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：楊 點擊量：9804
近期,，中國科學(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文和韓方明團隊,，在高性能鋰離子電池負(fù)極材料研究中取得了新進展。
【化工儀器網(wǎng) 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(fù)極,，鋰離子在正極和負(fù)極之間移動來產(chǎn)生能量,。鋰離子電池具有轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長,、能量密度高等優(yōu)點,。然而而以石墨為負(fù)極的鋰離子電池難以滿足移動設(shè)備、電動汽車和儲能電網(wǎng)等對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)計構(gòu)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(wěn)定性等具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值,。
近期,，中國科學(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文和韓方明團隊，在高性能鋰離子電池負(fù)極材料研究中取得了新進展,。此前,，該團隊創(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)，該團隊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,，并剖析了其機理。
該研究以團隊創(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：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)和筆直孔道可促進鋰離子和電子的快速輸運,；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際應(yīng)用價值,。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和院合肥研究院院長基金的支持。
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：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
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