复合法制备出新型锂离子电池负极材料

当波音公司的“梦想”客机因锂离子电池故障登上全球各大媒体的头版头条时,新科技的安全与可靠性成为了人们热议的话题。对于科研人员来讲,平衡锂离子电池性能与可靠性之间的关联显得尤为重要,而这个平衡点便是锂离子电池中的负极材料。来自北京大学工学院的侯仰龙教授通过综合利用金属氧(硫)化物与石墨烯的各自优势,开发出了一种新型锂离子电池负极材料

侯仰龙教授(右二)在与学生讨论科研问题

侯仰龙教授(右二)在与学生讨论实验中所面临的问题;Nasir Mahmood(左一)是来自巴基斯坦的留学生,他毕业于巴基斯坦国立科技大学,2011年加入北京大学工学院攻读博士学位,主要从事石墨烯基锂离子电池负极材料的研究工作。

         虽然金属氧(硫)化物作为锂离子电池负极材料已表现出诸多优异的性能,但是不同的金属氧(硫)化物负极材料不能完全满足充、放电容量和循环性能等指标要求。该问题的关键在于,金属氧(硫)化物导电性较差,其在电池充放电过程中存在着显著的体积膨胀现象,而石墨烯作为一种二维的SP2杂化材料,具有良好的导电性、高比表面积、优异的稳定性等优点。侯教授认为金属氧(硫)化物/石墨烯复合材料会产生界面相互作用所致的协同作用,进而增强其电化学性能,有望成为一种在锂离子电池领域具有重要应用前景的负极材料。

         侯教授所在的研究团队利用三个多月的时间才将以上的想法变成研究成果,侯教授表示:“我们首先采用了低温液相法合成Ni3S4/石墨烯复合材料,发现其锂离子电池性能并没有预期的好。分析其原因,可能是Ni3S4和石墨烯之间的耦合作用较弱所致,我们考虑退火过程将会增强两者间的耦合,进一步的实验表明,250 °C退火后的Ni3S4/石墨烯复合材料其充放电性能和循环稳定性均有显著提高,巧合符合实验设计的预期。在退火的实验过程中,我们发现,当退火温度升高至350 °C时,可以得到另一种硫化镍相(NiS1.03),这种‘意外收获’不但丰富了硫化镍的材料体系,而且NiS1.03/石墨烯复合材料也具有优良的电化学性能。”

         该项研究进行初期,侯教授以NiCl2 6H2O作为镍源,发现得到的复合材料中Ni3S4纳米颗粒在石墨烯上的分布较少且出现很多团聚。为了解决这一问题,他们分析了实验方案并查阅了大量的文献,最终提出了制备新前驱体的解决思路。在低温下,NiCl2 6H2O和尿素反应得到Ni2(CO3)(OH)2,以此作为镍源,可以有效地降低前驱体的分解速度,实现金属氧(硫)化物纳米颗粒的尺寸控制,进而使得纳米颗粒在石墨烯上的分布更加均匀,材料性能也明显优于物理混合所得的复合材料。

         侯教授同时还发现退火过程对于材料性能的提升具有重要的影响,其中界面相互作用及其协同效应是性能增强的内在因素。但是,其作用机制和界面结构尚不清楚,这也将是他们下一步研究的主要内容,同时这对于设计和开发新型的高性能锂离子电池负极材料具有重要的科学意义和指导价值。

         总之,基于石墨烯的锂离子负极材料是当前的热点研究领域之一。制备低成本、高容量、高能量密度、高倍率性能、高循环性能的负极材料是未来的发展趋势,而制备三维立体结构的纳米颗粒/石墨烯的复合材料具有重要的应用潜力和研究价值,相信更多的高导电性和高比容量的材料会被引入该复合材料体系。

About Xu Guangchen

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。