核殼結構鋁@碳納米複合材料的設計, 製備示意圖; (b)所製備雙離子電池在15C充放電速度下的長迴圈穩定性曲線.
近日, 中國科學院深圳先進技術研究院功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其研究團隊, 聯合中科院物理研究所研究員穀林, 研發出具有核殼結構的鋁@碳納米球複合材料, 並應用於高效, 低成本雙離子電池. 這種新型結構有效解決了鋁負極材料在充放電過程中的體積膨脹, 迴圈性能差等問題. 相關研究成果以Core–Shell Aluminum@Carbon Nanospheres for Dual-Ion Batteries with Excellent Cycling Performance under High Rates為題, 線上發表在Advanced Energy Materials上.
隨著攜帶型電子設備和電動汽車市場規模的發展, 人們對高能量密度, 低成本二次電池的需求日益迫切. 目前, 商用鋰離子電池多採用石墨類負極材料, 其理論比容量僅為372mAh/g, 且壓實密度較低, 限制鋰離子電池能量密度的進一步提升. 通過與鋰離子的合金化/去合金化反應, 廉價金屬負極通常具有更大的比容量, 有望獲得更高的能量密度. 其中鋁的理論比容量高達2234mAh/g (Li9Al4) , 且儲量豐富, 價格低廉. 然而, 鋁負極在電池反應過程中會產生一定的體積膨脹, 導致材料粉化, 從而影響電池的迴圈穩定性.
基於上述考慮, 唐永炳研究團隊研發出一種具有核殼結構的鋁@碳納米球複合材料, 並將其作為負極材料, 天然石墨作為正極材料, 研發出一種新型高效, 低成本雙離子二次電池. 相對於傳統鋰離子電池, 該新型二次儲能電池具有更高的工作電壓 (平均放電電壓為~4.2V) , 且環境友好. 此外, 由於核殼納米結構有效緩解了鋁負極在合金化過程中產生的體積膨脹, 並獲得了高度穩定的SEI膜, 使該電池的迴圈穩定性大幅提升. 研究結果表明, 該新型電池在15C充放電速率下 (4分鐘充放電) , 迴圈1000圈後容量保持率高達94.6%; 即使在功率密度高達3701W/kg時, 該電池的能量密度仍有148Wh/kg, 遠高於大多數商用的鋰離子電池. 該成果對廉價金屬負極材料的改性研究具有指導意義, 有望促進基於廉價金屬負極的高能量, 低成本二次電池的快速發展.
