纳米尺度的界面在锂离子电池电极材料中扮演非常重要的角色

 

随着电动汽车市场的增长,高性能锂离子电池(高能量密度、高功率密度、循环寿命长、安全性能好)的需求正在持续扩大。发展高性能锂离子电池的关键是电极材料的开发。材料的纳米结构化能够在一定程度上改善材料的储锂特性,然而,如何高效发挥电极中每个纳米结构化活性单元的储锂特性是当前的焦点和难点。

最近,国家纳米科学中心智林杰研究组聚焦于电化学活性的纳米结构单元与碳组分的界面工程与优化,在开发高性能锂离子电池电极材料方面取得系列进展。他们利用石墨烯独特的二维结构特征,设计并构筑了具有一维电缆结构的碳/锡纳米复合材料具有二维夹心结构的碳/锡/碳纳米复合材料,在不同维度下,实现了活性电极材料与碳组分之间接触界面的最大化。研究标明,锡、碳两相间界面的最大化能够导致一系列结构优势。第一,如此引入的碳进一步缓解了纳米结构化锡在充放电过程中的体积变化效应。第二,碳的存在有效地阻止了纳米结构化锡在充放电过程中的聚集。第三,碳为每个活性纳米结构单元提供了快速、高效的电子传输通道,实现了所有活性纳米结构单元的充放电特性。基于结构及界面的优化,这类碳/锡复合结构作为锂离子电池电极材料时,其充放电、倍率性能及循环稳定性大大提高。在类似的思想指导下,课题组进一步制备了管中线结构的碳/硅纳米杂化电极材料,由于硅/碳界面的延伸和空腔的整合,所得杂化材料表现出明显提高的储锂性能。

该研究组关注的纳米级活性材料与碳组分之间结合方式的调控和优化是一种提高锂离子电池电极材料性能的有效途径,其涉及的电极结构体系有可能应用于下一代锂离子电池,在未来动力电池、智能电网等领域发挥作用。上述工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院的大力支持。

来源:国家纳米中心