手機, 筆記型電腦等電子消費品如何更輕更薄, 電動汽車如何在有限的車體空間內擁有更長續航裡程的電量……隨著人們對儲能需求的日趨旺盛, 對二次電池的性能也提出了越來越高的要求. 納米技術可以使電池 '更輕' , '更快' , 但由於納米材料較低的密度, '更小' 成為橫亙在儲能領域科研工作者面前的一道難題.
國家傑出青年科學基金獲得者, 天津大學化工學院楊全紅教授研究團隊提出 '硫模板法' , 通過對高體積能量密度鋰離子電池負極材料的設計, 最終完成石墨烯對活性顆粒包裹的 '量體裁衣' , 使鋰離子電池變得 '更小' 成為可能. 該成果1月26日線上發表在《Nature Communications》(2018, 9, 402)上.
作為當下使用最廣泛的二次電池, 鋰離子電池具有很高的能量密度. 錫, 矽等非碳材料有望取代目前商用石墨作為新一代負極材料, 大幅提高鋰離子電池的質量能量密度(Wh kg-1), 但其巨大的體積膨脹嚴重限制了其體積性能優勢的發揮. 碳納米材料構建的碳籠結構被認為是解決非碳負極材料嵌鋰時巨大體積膨脹問題的主要手段;但在碳緩衝網路的構建過程中, 常常引入過多的預留空間, 導致電極材料的密度大幅降低, 限制了鋰離子電池負極體積性能的發揮. 因此對碳籠結構的精確定製, 不僅是重要的學術難題, 也是新型高性能負極材料產業化的必由之路.
楊全紅教授研究團隊聯合清華大學, 國家納米中心和日本國立材料研究所的合作者在高體積能量密度鋰離子電池負極材料設計方面取得突破, 基於石墨烯界面組裝, 發明了對緻密多孔碳籠精確定製的硫模板技術. 他們在採用毛細蒸發技術構建緻密石墨烯網路的過程中, 引入硫作為一種可流動的體積模板, 為非碳活性顆粒完成了石墨烯碳外衣的定製. 通過調製硫模板使用量, 可以精確調控三維石墨烯碳籠結構, 實現對非碳活性顆粒大小 '合身' 的包覆, 從而在有效緩衝非碳活性顆粒嵌鋰巨大體積膨脹的基礎上, 作為鋰離子電池負極表現出優異的體積性能.
硫模板法的提出, 是在三維石墨烯緻密網路中, 巧妙利用硫如同 '變形金剛' 一樣的流動性, 無定形, 以及易去除等特點, 在碳籠結構內部實現對非碳活性顆粒如二氧化錫納米顆粒的緊密包覆. 與傳統的 '形狀' 模板相比, 硫模板的最大優勢就是能發揮可塑型的體積模板作用, 使緊緻的石墨烯籠結構能夠提供適形且尺寸精確可控的預留空間, 最終完成針對活性二氧化錫的 '量體裁衣' . 這種具有合適預留空間且保持高密度的碳-非碳複合電極材料能貢獻出極高的體積比容量, 從而大幅度提高鋰離子電池的體積能量密度, 使鋰離子電池變得更小. 這種 '量體裁衣' 的設計思想可以拓展為普適化的下一代高能鋰離子電池和鋰硫電池, 鋰空氣電池等電極材料的構建策略.
楊全紅教授研究團隊近年來在強調器件體積性能的緻密儲能領域取得了一系列重要進展, 發明了石墨烯凝膠的毛細蒸發緻密化策略, 解決了碳材料高密度和孔隙率 '魚和熊掌不可兼得' 的瓶頸問題, 得到高密度的多孔碳材料;追求儲能器件的小體積, 高容量, 從策略, 方法, 材料, 電極, 器件等五個方面提出了高體積能量密度儲能器件的設計原則, 最終從超級電容器, 鈉離子電容器, 鋰硫電池, 鋰空氣電池到鋰離子電池實現了高體積容量儲能材料, 電極, 器件的構建, 為碳納米材料的實用化奠定了基礎, 有力推進了基於碳納米材料新型電化學儲能器件的實用化進程.
