提升电极材料倍率性能新途径——表面无定形化

as随着便携化智能设备(如智能手机)以及大功率储能系统(如新能源电动汽车)的发展,锂离子电池正逐渐走进并改变着人们的生活。然而随着其应用的普及,许多亟待解决的问题也引起了更多人的关注,以当前刚刚进入人们生活的新能源电动汽车为例,其续航里程短和充满电池所需时间长这两大问题影响着新能源汽车的进一步推广。从材料学的角度来看,导致这两大问题的主要原因还是当前所使用活性电极材料比容量和高倍率性能还不能满足需求。随着研究的进一步深入,高比容量正负极材料的发展有望在下一阶段逐渐弥补续航里程短的短板。然而,关于电极材料倍率性能的研究还存在更多的问题亟待广大研究人员的探索。最近,在澳大利亚伍伦贡大学(University of Wollongong, UOW)和新南威尔士大学(University of New South Wales, UNSW)的研究人员找到了一种提升电极材料倍率性能的新方法,有望为探索高倍率性能电极材料的研究提供新的途径。

当前,电极材料研究及应用领域主要以有序结晶性良好的晶体或层状化合物为研究对象。在电极材料的初始研究过程中,研究人员发现当材料稍微偏离完美有序的晶体结构时,电池的效率有可能会下降,所以无定形材料或结晶度不高的材料在电极材料的研究中被极大地忽略了。然而最新的研究结果表明,这种“有序为先”的固定思维正在逐渐被打破。一定程度的无序或者表面无定形化不仅能够提升材料的比容量,而且还可极大地提高锂离子的扩散速率,从而大大提升材料的倍率性能。这些最新的研究成果被来自UOW的博士研究生周腾飞和郭再萍教授以及其他五位合作者发表在Wiley出版社Advanced Science杂志上。

“表面无定形化可调变材料本身的物理化学性质,从而可以带来许多预想不到的新性能。”郭再萍教授说道,“材料的表面结构可通过化学手段调控,经过修饰调控的表面可以提供更多的反应活性位点,这种表面调控的研究思路也是当前能源转化与存储领域被关注的方向之一。”探索电极材料离子扩散路径的研究一直备受研究人员的关注,无定形材料的应用不仅可以为离子提供更多不规则更开放的扩散路径,同时还会带来另一个好处。与高度结晶化的材料不同,这种无定形结构材料具有更为类似于泡沫般松散但不会坍塌的结构,在电极充放电过程中,其体积变化会比传统层状或高度晶格固定材料小很多,其在充放电过程中材料宏观结构不会变形,所以循环稳定性会大大提升。他们以具备高安全性的二氧化钛负极材料为研究对象,在他们的研究中,在充放电过程中,通过低温相转变形成的表面无定形化层与结晶良好的内核之间形成了由于锂离子扩散速率差异导致的内部自建电场,这种内部自建电场的形成赋予了材料较低的锂离子扩散位阻,使得锂离子在嵌入与脱出的过程中更加容易,与此同时,材料表面无定形化不仅提高了比表面积还为增加局部电解液浸润提供了条件。经过优化后的表面无定形结构与结晶良好的材料相比,不仅显示出了很高的比容量和高倍性能,其循环稳定性也大大提升。这种表面无定形结构构建的思路不仅可扩展到其他电极材料,同时还可为设计高性能催化、能源存储、光电转化材料等研究提供新的途径。