多孔碳复合材料在新一代可充电锂电池中的应用

石油作为全球使用最广泛的一种不可再生能源,可利用储量正在逐年减少。石油价格的剧烈变化已引发世界经济危机,因此过分依赖石油工业会使国家在经济、政治等多方面受制于人。近年来,为减少石油消耗,我国已大力发展电动汽车行业并取得了初步的成果。自从锂离子电池于二十世纪九十年代初商品化以来,其应用领域已经从最初的移动通讯迅速扩展到包括各种便携式电子产品在内的各种设备。随着社会生活和科技的进步,人们对锂离子电池性能的要求越来越高,尤其是在许多高精尖应用如电动汽车、医疗器械、航空航天等领域中,能量密度高、体积小、寿命长的锂离子电池需求日益增长。现阶段主流的电动汽车厂商,大多采用锂离子电池驱动系统,但是和汽油相比锂离子电池比能量密度还有欠缺,从而导致电动汽车续航里程等指标发展受到限制,因此未来新能源汽车的发展需要高比能量的新型电池体系发挥作用。自然界中锂金属具有最负的电极电位,同时是密度最小的金属,故以金属以锂作为负极的锂硫电池与锂空气电池,具有很高的理论比能量,对缓解我国能源紧缺问题,实现能源发展战略方面有着重要意义,是值得大力投入的研究领域。

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无论是锂离子电池、锂硫电池,还是锂空气电池体系,提高它们能量密度的关键还在于研发高性能的电极材料,从而使电池体系的整体性能。而各个电池体系的内在特点,决定了性能提升之路并非坦途。锂离子电池电极材料由于存在锂离子的可逆嵌入/脱出,电极材料在充放电过程中受体积变化影响,可能导致材料粉化甚至从集流体脱落,从而大大降低电池的循环寿命。锂硫电池放电产物多硫化物在有机电解液中溶解产生“穿梭效应”,从而导致在循环过程中严重的容量衰减。锂空气电池体系充放电平台电压差大,能量使用效率低,贵金属催化剂成本高,放电产物导电性能差等缺点都阻碍了锂空气电池的实际应用。多孔碳复合材料具有的独特优势能够在在锂离子电池、锂硫电池及锂空气电池中有针对性地克服其缺点并得以实际应用。碳材料的高导电性能使复合材料的电子电导得以提升,在上述三个电池体系中均能够提升大电流充放电性能。具体来说,锂离子电池电极材料限域在多孔碳孔道内,其体积膨胀能得到有效地抑制,结构稳定性能够得到大大提高,从而使电化学性能得以提升;将硫负载在多孔碳基底上,能够有效的抑制多硫化物的溶解,辅以对多硫化物吸附性好的骨架设计或进行有效的导电聚合物包覆,更可以大大提高锂硫电池的充放电容量及循环性能;多孔碳负载的催化剂材料,一方面能够提供空间容纳放电产物,另一方面能提升催化剂的活性,降低成本,为锂空气电池实现商品化提供可能。

鉴于多孔碳复合材料在可充电锂电池中的种种优势,科学研究者们进行了广泛并全面的研究,大量的优秀工作得以发表。上海大学的科研人员与复旦大学李伟研究员和悉尼科技大学汪国秀教授等人合作对近年来多孔碳复合材料在锂离子电池、锂硫电池及锂空气电池体系中的代表性工作进行了概括。从结构设计多孔碳材料到对复合物性能优化归纳总结,并展望了在未来可充电锂电池体系针对实际应用仍需解决的首要问题和工作重点。本文发表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201700283)上,通讯作者为复旦大学李伟研究员和悉尼科技大学汪国秀教授。