寧波材料所在高性能可充電電池電極材料領(lǐng)域取得系列進展

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曉木蟲

寧波材料所在高性能可充電電池電極材料領(lǐng)域取得系列進展

摘要: 　　隨著可充電（二次）電池在能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，具有更高能量密度、更大功率密度的可充電電池體系成為學(xué)習(xí)人員追逐的學(xué)習(xí)熱點。近年來，隨著二次電池鋰離子電池、鉀離子電池、鎂離子電池以及鋁離子電池等的發(fā)展， ...

　　隨著可充電（二次）電池在能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，具有更高能量密度、更大功率密度的可充電電池體系成為學(xué)習(xí)人員追逐的學(xué)習(xí)熱點。近年來，隨著二次電池鋰離子電池、鉀離子電池、鎂離子電池以及鋁離子電池等的發(fā)展，開發(fā)匹配以上二次電池高性能的電極材料成為能否實現(xiàn)新型高性能儲能與能量轉(zhuǎn)換等目標的關(guān)鍵。
　　近年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程學(xué)習(xí)所所屬新能源技術(shù)所韓偉強、田華軍領(lǐng)導(dǎo)的先進鋰電池團隊，在包括高能量密度鋰離子電池和鎂離子電池等方面取得系列進展。在高性能鋰離子電池硅基負極材料方面，開發(fā)了系列微米級多孔硅及硅碳復(fù)合負極材料。學(xué)習(xí)團隊開發(fā)的多孔硅負極材料首次庫倫效率達到88.1%，循環(huán)100次容量保持率超過99.0%。相關(guān)學(xué)習(xí)已申請中國發(fā)明專利（201510468107.3，201610016711.7）。系列硅基負極材料的學(xué)習(xí)結(jié)果相繼發(fā)表在材料化學(xué)雜志A（Journal of Materials Chemistry A，2015， 3， 17956-17962）和納米能源（Nano Energy，2015， 11， 490–499）上。
　　與硅同主族的元素鍺，在室溫下導(dǎo)電率更高（是硅的104倍），同時鍺的理論比容量高達1600mAh/g。學(xué)習(xí)團隊利用工業(yè)化噴霧干燥的方法成功制備了高倍率性能的鍺基負極材料。該鍺基負極材料即使在5A/g的電流密度下，放電比容量還能保持在550 mAh/g。該方法中，利用噴霧造球形成穩(wěn)固的GeOx/CNTs三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，起到了很好的電子傳輸作用，大大降低了電池電極的接觸電阻，減小了電池的極化，實現(xiàn)了電池的高倍率充放電特性。相關(guān)工作發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（2015，3， 19393-19401）上�；趫F隊在鋰離子電池高容量負極方面的系列進展，團隊學(xué)習(xí)工作已被邀請寫成綜述，發(fā)表在Journal of Materiomics（2015，1(3)， 153–169）雜志。
　　鎂離子電池由于其較高的安全性、環(huán)境友好以及鎂自身較高的體積比容量（3833 mAh/cm-3）等特點，越來越受到學(xué)習(xí)人員的關(guān)注。但是，鎂離子電池面臨著諸多問題，包括：（1）如何開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)可逆鎂離子沉積與溶解的電解質(zhì)體系，克服大多數(shù)溶液中鎂表面容易形成鈍化膜阻礙鎂離子傳輸?shù)膯栴}。（2）鎂離子電荷密度大，極化作用強，如何找到能夠有效嵌入鎂離子的具有優(yōu)異性能的正極材料等�；谝陨系南盗袉栴}，近期，學(xué)習(xí)團隊中的田華軍與浙江大學(xué)、美國馬里蘭大學(xué)合作，在高能量密度鎂離子電池方面取得原創(chuàng)性學(xué)習(xí)成果。相關(guān)工作被自然-通訊（Nature Communications）雜志接收（2016， DOI: 10.1038/ncomms14083）。該學(xué)習(xí)工作開發(fā)了一種碘基正極材料，其具有較高的工作電壓（2.0 V）、較高的比容量（～200 mAh/g）以及較好的循環(huán)性能（ 120次循環(huán)充放電）。同時，該工作優(yōu)化了鎂基電解質(zhì)體系，實現(xiàn)了可逆的鎂離子沉積和溶解，其庫倫效率接近100%。該工作深入地學(xué)習(xí)了該鎂離子電池體系的反應(yīng)機理，并利用其特有的儲鎂機理，克服了由于鎂離子電荷密度大、嵌入正極材料困難的缺點，為開發(fā)新型鎂離子電池提供了新的方法和思路。
　　上述學(xué)習(xí)工作得到了浙江省重點科技創(chuàng)新團隊、寧波市3315國際創(chuàng)新團隊、國家自然科學(xué)基金面上項目、國家自然科學(xué)基金青年項目、浙江省自然科學(xué)基金一般項目及寧波市自然科學(xué)基金等項目的支持。