Small Science: “对”的碳做对的事——碱金属离子电池碳负极使用指南

WILEY旗下最新开放获取(OA)旗舰刊 Small Science近日发表了天津大学杨全红教授课题组研究碱金属离子电池碳材料负极评述论文。这篇题为《什么是“对”的碳》的论文中,作者梳理和总结了研究历史、核心思路和代表性工作,提炼出具有参考价值的“使用说明书”。文后彩蛋我们请作者对碱金属离子电池负极材料研究的几个问题做出了回答。

以锂离子电池为代表的碱金属离子电池近年来在新能源领域大放异彩,便携式电子设备和电动汽车已成为生活中不可或缺的一部分,而大规模储能则是未来清洁能源大力发展的必要配套。面向不断增长的实用化需求,先进电极材料的研究至关重要,尤其对于负极材料而言,会直接影响到电池的首次库伦效率、循环稳定性和安全性。

碳材料可以说是负极材料领域的中流砥柱和“老大哥”,碳负极已在锂离子电池商业化进程中做出了突出贡献,得到了诺贝尔奖评委会的公认。光环在身,“老大哥”自然会期待在更大的舞台上发挥更为重要和广泛的作用。面向新型钠离子电池和钾离子电池,碳负极的再次商业化成功值得期待;而面向更高容量的合金负极,“老大哥”将承担起应有的保护脆弱合金“小老弟”的责任。目标只有一个就是让碱金属离子电池可以更好地为人类开发和利用清洁能源而服务。

道路千万条,避坑很重要,“老大哥”的再次成功和成名必然充满曲折和艰辛。为了更好地让广大研究者们与“老大哥”相识、相知并相互成就,关于“老大哥”的使用指南就至关重要了。近日天津大学杨全红课题组(Nanoyang Group)在Small Science(DOI: 10.1002/smsc.202000063)上发表了题为“What is the Right Carbon for Practical Anode in Alkali Metal Ion Batteries?”的综述论文,围绕上述问题,展开了详细的论述。本文致力于梳理和总结研究历史、核心思路和代表性工作,提炼出具有参考价值的“使用说明书”,即如何让对的碳材料正确地运用到碱金属离子负极体系,启发大家更正确地应用传统碳材料并针对性地开发新型碳材料,推动和加速碱金属离子电池的商业化进程。

若想让“老大哥”成功地化身为钠/钾离子电池商业化负极,需满足三个基本要求:足够量的电荷存储(即较长的低电位充放电平台)、较高的首次库伦效率(即可控的界面电化学反应;商业化要求不低于90 %)以及优异的循环稳定性(商业化要求循环500圈后,容量保持率不低于80 %)。为此,需要准确地表征和理解不同体系的电荷存储机制,针对性地设计和调控碳材料的微观结构,优化电解液配方来完善电化学界面特性。

图一 实用化碳负极的设计思路与准则

若想让“老大哥”有效地保护脆弱的合金“小老弟”,也需要满足三个基本需求:紧密的碳-合金界面结合力,碳的三维网络结构以及网络结构的高机械强度与稳定性。而针对不同的合金体系,物理化学特性及颗粒性质等也存在较大的差异。为此,碳网络结构的主动、可控设计至关重要,以此来更好的实现与合金负极的复合及保护,有助于提升整体负极的体积能量密度与循环寿命。

图二 实用化碳骨架的设计思路与准则

为了让使用指南更加易于理解,本文还系统总结了上述领域的研究历史与代表性工作。“以史为鉴,方知兴替”,并对未来的发展机遇与挑战进行了展望。

本新闻稿只供抛砖引玉,使用说明书详情还请见原稿。祝大家使用愉快,创意无限!

【作者简介】

张俊博士,2020年1月博士毕业于清华大学,师从杨全红教授。2018-2019年曾在加州大学伯克利分校Gerbrand Ceder教授组开展访问研究。目前主要围绕钠离子电池实用化碳负极及其电化学界面开展相关研究,已在 Nat. Commun.Energy Environ. Sci.Adv. Energy Mater.等学术期刊发表论文20余篇。

杨全红博士,天津大学化工学院讲席教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者,教育部“长江学者”特聘教授,科睿唯安和爱思唯尔“高被引学者”。从事碳功能材料、新型二维材料和先进电池研究,在致密储能和锂硫催化方面取得进展。获国家技术发明二等奖和天津市自然科学一等奖等奖项。担任Energy Storage Materials副主编,CarbonScience China Materials等10余份刊物编辑和编委。发表SCI论文200余篇,他人引用20000余次,H因子80。拥有中国和国际授权发明专利40余件。

【有问必答】

Q: 能否请您对比一下碱金属负极和碳材料负极在探索高能量密度电池体系中的前景?各自的优势和挑战?

A: 碳负极是最具商业化前景的负极材料,但其现阶段最大的瓶颈是能量密度具有明显的上限,因此各类合金负极以及碱金属负极的相关研究如火如荼。以碱金属负极为例,其具有在对应体系中最高的能量密度,但安全隐患不容忽视,这也是实用化中最关键的要素,这既需要电极材料的复合设计,也需要固态电解质的优化。

Q: 您如何评价目前杂原子掺杂碳骨架改善电池储能能力的尝试?下一步的突破在哪里?

A: 近年来有关碳的掺杂研究也取得了一系列进展与突破,但一方面精细化的关于掺杂对于碳材料物化性质以及电化学反应过程的研究还比较欠缺;另外一方面可控的大批量掺杂仍具有较大的难度,掺杂剂和掺杂工艺的选择也需要更多地考虑成本要素。

Q: 您认为制造未来更高效更安全的电池,碳材料将在电池的哪些部分发挥其主要的优势和作用?

A: 我认为碳材料所能扮演的角色,值得脑洞大开,既要有深度又要有广度。一方面根据碳材料微观结构的精确设计与调控来实现更高能量密度兼具安全性的电荷存储;另外一方面也可以不断拓展碳材料在电池中的应用,除了电极材料、导电添加剂外,还可考虑其作为集流体、散热模块等的研究与应用。