【写作竞赛】一体化三维多孔石墨烯:锂-空电池正极的新突破

爱迪生1910年曾预言,在未来15年内,电动车将会用掉比电灯更多的电力。如今,爱迪生的预言早已被证实并不准确,且在经过一百年的发展后,电池比能量不足的难题仍然是制约电动车发展的瓶颈。

锂-空气二次电池因具有高出现有锂离子电池1~2个数量级的理论比能量,是最能够取代汽油的电池种类,被化学电源界视为跨越式提高二次电池比能量的未来突破点,锂-空气电池已成为电动车电池的明日之星。然而,受限于空气电极性能的严重不足,现有锂-空气电池存在能量转化效率低、倍率性能差和循环寿命短等亟待解决的难题。

最近,中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室张新波研究员课题组详细考察了空气电极对锂-空气电池性能的影响,发现空气电极催化剂催化效率低、用于过氧化锂等不溶放电产物存储和反应物(电解液和氧气)传输的孔道结构不合理、导电性差是制约锂-空电池性能的关键因素。

基于此,研究组首次提出了石墨烯一体化空气电极的概念,成功地在泡沫镍基体中构筑了三维多孔石墨烯。泡沫镍所具有的高导电性,结合多孔石墨烯合适的孔道结构,使得所制备的锂-空气电池性能远优于报道的结果:电池容量达11060 mAh/g,特别是在2.8 A/g的大电流密度下,容量仍达高达2020 mAh/g,表现出优异的倍率性能。另外,此复合空气电极一次成型,省去了复杂的粉末电极制备过程,克服了传统电极活性物质附着性和导电性差的缺点,提高电池可靠性和性能均一性。

该研究所提出的构筑高性能空气电极的新途径以及一体化设计思想,将为促进锂-空气电池的研究和开发提供科学依据。合成过程中巧妙地利用了氧化石墨烯上的功能基团与集流体和酚醛树脂的相互作用,实现了石墨烯三维多孔结构的可控制备,对石墨烯的开发利用具有重要意义。所制备的一体化三维石墨烯还可应用于催化剂载体、燃料电池、其它金属空气电池以及功率型的能源存储器件。研究工作得到了审稿专家的一致好评,以封底文章新近发表在Advanced Functional Materials(2012, 22, 3699-3705)期刊上

作者简介:

张新波,男,中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室研究员,博士生导师,课题组长。2005年获中科院院长优秀奖,2010年入选“吉林省中青年科技创新带头人”培育人选,2011年获中国科学院引进国外杰出人才“百人计划”择优支持。

主要从事无机能源材料在高能化学电源等高效能量储存与转化方面的基础和应用研究,重点开展锂(离子、空气、硫)电池、液流电池、镍金属氢化物电池、燃料电池及新型高效制/储氢材料等方面的研究。研究成果已在Journal of the American Chemical SocietyAngewandte Chemie International EditionAdvanced Functional MaterialsEnergy & Environmental ScienceScientific ReportChemSusChemChemistry – A European JournalChemical CommunicationsJournal of Materials ChemistryJournal of Physical Chemistry CInorganic Chemistry等国际著名学术期刊上发表学术论文67篇,被引用1100多次。研究获科技部973和863计划,国家自然科学基金委、科学院,吉林省科技支撑重大研究计划,长春市院地合作专项、长春应化所、稀土资源利用国家重点实验室等资助。

主要学习和工作经历

1995.09– 1999.07: 吉林大学, 工业分析专业, 获学士学位

1999.09–2000.8: 中国科学院长春应用化学研究所,研究助理

2000.09– 2005.7: 中国科学院长春应用化学研究所,无机化学专业, 获博士学位工作经历

2005.9–2007.8:  日本国立产业技术研究所 日本学术振兴会(JSPS)博士后

2007.9–2009.12: 日本国立产业技术研究所

2009.12–现在:   中国科学院长春应用化学研究所,研究员,博士生导师,课题组长