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“超级电池”是怎样炼成的

作者:杨俊和 郑时有 来源:科学画报 时间:2020-07-19 浏览:
      从最早的干电池,到逐渐兴起的锂离子电池、超级电容器,电化学储能器件一路发展,更新换代,而其中的关键材料一直是碳材料。

如今,快速发展的智能手机和电动汽车等行业对以电池和超级电容器为代表的电化学储能器件的性能提出了更高的要求:要能够快速充电,增强续航能力,延长使用寿命,提升便携性……这些需求目标正在“呼唤”新型碳材料加入储能器件材料的行列。

富碳材料是以碳材料为主同时加入其他元素的材料,作为主体的碳材料包括石墨烯、碳纳米管、碳纤维、微介孔碳,以及以碳元素为主体的纳米金属有机框架结构化合物等。

富碳材料的结构多样,可调控性强,表面状态丰富,化学稳定性好,并且具有优异的电输运特性和高活性表面特性。对于电化学储能器件存在的能量不够高、安全性不够好、成本不够低廉等关键问题,富碳材料都有潜力去解决。

具备潜力还不够,能否真正拥有优异的电化学性能,取决于能否通过精准调控让富碳材料具有“称心如意”的结构。难点也就在这里——由于富碳材料结构多样,难以精准控制和定向合成,因此,如何根据性能上的需求去设计和制备特定的材料结构,成为研究道路上的“拦路虎”。

从理论上来说,富碳纳米储能材料的电化学行为与其结构、形貌和共生原子密切相关,表面官能团也会产生很大的影响。

孔结构和表面基团对材料的电化学性能产生重要影响

就拿富碳材料的孔结构来说吧,电池的电极材料中需要有一定数目的“孔”,能在充放电时让电子或离子要么通过,要么存储下来。这些“孔”应该是大是小,是圆是方?应该如何有序、有尺度地分布?应该采用什么方法,才能对其实现精准调控,从而制备出具有特定孔结构的富碳材料?这都是材料制备过程中的共性问题。找到这类问题的答案,才能对材料的孔结构和表面化学性质进行优化设计,进而提出制备富碳储能材料的普适性方法。

针对结构设计和性能调控的核心问题,上海理工大学杨俊和研究团队从基础研究着手,潜心研究,十年磨一剑,取得了许多科学进展。

例如,研究团队开发出一套巧妙的制备工艺,以石墨烯为基本结构单元,制备出低密度高强度的多级孔结构石墨烯基三维碳材料,而这种结构正是储能材料具有循环稳定性的基础。

成功实现孔结构和表面化学的调变并探明其中的作用机制,为接下来制备结构可控、性能优异的富碳纳米材料提供了理论支撑。

我们制备的富碳纳米材料可用于锂离子电池、锂硫电池、超级电容器等储能器件,使器件的续航时间延长,循环次数增加,安全性增强,就像“超级电池”一样。

1 在锂离子电池中的应用

目前绝大多数的商业锂离子电池都使用石墨作为负极材料。但是,石墨负极的实际比容量已经接近其理论值,很难再有提升的空间。能不能找到一种高比容量负极材料来替代石墨呢?

石墨烯基富碳纳米材料就是一个很好的选择。它的储锂容量远远超过传统石墨负极材料的理论容量,只是由于存在首次效率较低、无放电平台、循环性能差、充放电曲线滞后严重等缺点,难以直接作为电极材料用于锂离子电池。

二维“面-面”结构的石墨烯/SnS2锂离子电池负极材料

2 在锂硫电池中的应用

锂硫电池被认为是极具潜力的下一代高容量储能电池。然而,锂硫电池体系中存在的一系列问题严重制约其性能发挥与实际应用。首先,锂硫电池充放电过程中会形成一系列易溶于电解液的多硫化锂中间产物,导致电池的循环稳定性欠佳;其次,受限于硫及其放电产物硫化锂的绝缘特性,锂硫电池中正极活性物质硫的利用率偏低;第三,用金属锂作负极,存在安全隐患。

基于这三个问题,我们为改善锂硫电池的电化学性能提供了新思路。我们开发出一类新型碳/硫复合正极材料,解决了硫正极存在的导电性差和中间产物溶解穿梭等关键科学问题;进一步发展了原位锂化碳/硫复合材料,对因使用金属锂作为负极可能导致的安全隐患提出新的解决途径。

可用于锂硫电池体系的高稳定碳/硫复合电极材料

3 在超级电容器中的应用

在现有的各种化学储能器件中,电化学电容器或超级电容器是功率密度最高的二次化学储能器件,尤其适用于电动汽车的负载均衡装置。富碳纳米材料中的碳纳米管,尤其是垂直排列的碳纳米管,是构建高性能超级电容器复合电极的理想碳载体。然而,由于碳纳米管间仅靠微弱的范德华力结合,采用传统的湿化学法负载金属氧化物时极易破坏碳纳米管的定向排列结构。

我们针对这一问题,创新性地制备出垂直碳纳米管/氧化物纳米复合电极。在这种电极材料的结构中,垂直碳纳米管仿佛是一条条线,金属氧化物纳米颗粒作为活性组分仿佛是一个个点,后者在前者的管间孔隙里轴向均匀分布。它与碳纳米管负极匹配组装的超级电容器,表现出很高的能量密度和良好的循环稳定性。

垂直碳纳米管与金属氧化物颗粒的“线-点”匹配耦合

相信在不久的将来,人们可以在电动汽车、储能电站、电子设备等多个领域看到富碳纳米储能材料的身影。

关键字:动力电池

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