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行业新进展:北大在锂电池负极研究取得新的成果
发布时间:2017-05-02 17:41:55  来源:钜大电子锂电池事业部

锂离子电池,以容量、安全性、稳定性的储能优势成为了人们日常生活中必不可少的组成部分,已经被广泛应用到很多二次电源系统中去,比如微型便携式电子产品、电动汽车和电网调峰等。
然而,从上世界九十年代锂电池被大规模应用以来,其容量并没有显著的提升,伴随着现在智能手机要求的待机时间长、电动汽车要求跑得更远、电网调峰要求的储电量大,锂离子电池似乎显得无力,其根本原因在于锂电池的电极材料容量难以突破限制。举个例子,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。尽管研究发现,Si、Ge、Sn等单质作为负极具有很高的比容量,但由于在多次使用后的容量快速衰减,使其难以实际应用。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的两倍。然而,现有SnO2和单质负极材料都在锂离子电池电化学过程中无法克服体积膨胀的应用瓶颈,循环稳定性难以满足应用需求。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。
不久前,由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的可逆容量,远优于SnO2的理论容量极限(783 mA h/g)。该材料该材料与石墨烯复合后更显示出极其优越的循环稳定性和倍率性能,在0.2 A/g电流密度下循环100圈之后容量不衰减,保持950 mA h/g的容量;在2 A/g的大电流下保持具有700 mA h/g的容量。
而且,通过细致的研究,发现 独特的黑色二氧化锡新材料不同于现有的二氧化锡,它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,最终解决了循环过程中金属Sn团聚的科学难题。同时,研究人员还有一个意外发现,这个特殊的微观复合纳米结构可以保证金属锡在储能电化学反应中完全可逆氧化为二氧化锡(图),这个现象和机理尚未在其他文献中见到过。基于新的储电机理,二氧化锡负极材料的理论容量从原来的783 mA h/g提高到新机理的1494 mA h/g。研究者发明的黑色二氧化锡为设计和合成其它新型电负极材料提供了一种新的思路,同时也极具高容量锂电负极材料的产业应用价值。

图为高导电黑色二氧化锡电极反应、电池循环性能以及循环后二氧化锡颗粒元素分布
该成果的发现,为中国锂电行业迎来了新的挑战。技术在不断的进步,社会在不断的发展,对于锂电池的研究也在不断的进步。新机理引发出高容量,希望我国的锂电池行业慢慢成长壮大。


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