长寿命的石墨烯-MnO-石墨烯锂电池负极材料和鲁士蓝/碳钠离子电池正极材料的构筑

二次电池(锂离子电池、钠离子电池等)技术已成为新能源获取和能源清洁利用的关键,在便携式电子、电动汽车、可再生能源储存和智能电网等领域具有广泛的应用前景。

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浙江大学材料学院姜银珠副教授团队和澳大利亚Wollongong大学窦世学院士、孙文平研究员等针对二次电池(锂离子电池、钠离子电池)普遍存在的循环寿命较短、功率密度较低的缺点,提出从电极储锂/储钠的微观机理和结构演变角度出发,通过电极结构的优化设计和储能过程的有效调控,实现了具有长循环寿命和大倍率特性的锰氧化物基锂电负极和普鲁士蓝基钠电正极的开发。在锂电负极工作中,设计制备了“三明治”型“石墨烯-MnO-石墨烯”电极 (图1),通过调控电极在循环过程中的结构演变,引入Mn3+/Mn2+表面氧化还原电位对,大幅度提升了赝电容对电极容量的贡献,克服了锂电电极材料受限于锂离子固态扩散控制的储锂机制,最终促进了储锂倍率性能的大幅度提升。该电极在40A/g(充/放电时间为28S)的超大电流密度下,仍达到331.9mAh/g的储锂容量,在15A/g的大电流密度下循环4000次后,容量仍达到379mAh/g。在钠电正极工作中,设计并原位制备了普鲁士蓝/碳的复合正极材料,一方面原位制备保证了普鲁士蓝活性材料与导电碳材料之间的均匀复合,从而提升电极材料的电子导电能力;另一方面,所获得的复合材料具有更低的残留水和空位含量,从而有效激活了普鲁士蓝的高电位储钠容量。此外,结合理论计算系统诠释了晶格空位和储钠行为对电极容量和倍率性能的影响。该电极在90C的超大电流倍率下,容量仍达到77.5mAh/g,在20C的大倍率条件下,循环2000次,容量仍达到90mAh/g,容量保持率高达90% (图2)。

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以上研究思路和结果对于高性能二次电池的研究具有广泛的指导意义,有望为先进二次电池的开发和大规模应用提供重要基础。相关工作发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201504849)上。

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