新机理引发高容量: 高导电纳米黑色二氧化锡作为高性能锂电负极材料

在容量、安全性和稳定性等方面的突出储能优势的先进锂离子电池,已经成为人们日常工作生活中必不可少的组成部分,已经广泛应用到微型便携式电子产品、电动汽车、乃至电网调峰等的二次电源系统。然而自从上世纪90年代被大规模应用以来,锂离子电池的比容量没有显著提升,因此也越来越无法满足智能手机要求的待机时间长、电动汽车要求的跑的远、电网调峰要求的储电量大。这一困境的根本原因在于,锂电池的电极材料容量难以突破,比如,商用负极材料只能采用理论容量为372 mA h/g的低比容量碳基材料。尽管实验研究表明,Si、Ge、Sn等单质作为负极具有很高的比容量,但是受限于多次使用后的容量快速衰减而难以实际应用。近年来,二氧化锡(SnO2)负极材料具有优越的循环性能而受到极大关注,其理论容量(783 mA h/g)已经达到了石墨负极两倍。然而,现有SnO2和单质负极材料都在电化学过程中无法克服体积膨胀的应用瓶颈,锂离子电池的循环稳定性难以满足实际应用需求。因此,如何开发新的高循环稳定性,高容量的SnO2基锂电负极材料具有重要意义。

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近日,北京大学化学与分子工程学院新能源材料与器件课题组与中国科学院硅酸盐研究所,美国宾夕法尼亚大学以及北京工业大学等联合研究,发明了一种基于独创制备技术的黑色二氧化锡纳米材料,该材料作为锂电负极具有1340 mA h/g可逆容量,远优于SnO2的理论容量极限(783 mA h/g)。该材料与石墨烯复合后更显示极其优越的循环稳定性和倍率性能,0.2 A/g电流密度下循环100圈之后容量不衰减,保持在950 mA h/g,并且在2 A/g的大电流下具有700 mA h/g的容量。

深入研究后实验结果表明,独特的黑色二氧化锡新材料,不同于现有的二氧化锡,具有优异电子导电性和丰富氧空位的特征,诱导出纳米活性材料的还原反应具有各向同性,从而形成了一个热力学高度稳定的Sn和Li2O均匀分散的微观复合纳米结构,最终解决了Sn原子团聚的科学难题。令人惊喜地发现,这个特殊的微观复合纳米结构,可以保证了金属锡在电化学反应中完全可逆氧化为二氧化锡,这个现象从未见报道。基于这一个新的储电机理,二氧化锡负极材料的理论容量可以从原来的783 mA h/g提高到1494 mA h/g。黑色二氧化锡为高性能锂电负极材料的实际应用提供了可能,并对今后其他高性能锂电负极材料设计与合成提供了一种新的思路,具有非常重要的借鉴和指导意义。

该研究成果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201700136)上,北京大学化学与分子工程学院研究生董武杰/王超以及中国科学院硅酸盐研究所研究生徐吉健为该文的共同一作,黄富强教授为通讯作者。