高性能锂离子电池负极材料研究获进展

2023-12-13 10:29:48 来源：资源循环研究院

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简介：近期，某研究院研究员在高性能锂离子电池负极材料研究中取得了新进展。此前，该团队创制了纵-横互连三维碳管网格膜，并以该网格膜作为对称型双电层电化学电容器的电极，构筑了小型化高性能滤波电容器。以此为基础，该团队以这种三维互连碳管网格膜为骨架，构建了结构稳定、导电性好和锂离子迁移畅通的一体化自支撑锂离子电池负极，并剖析了其机理。

近期，某研究院研究员在高性能锂离子电池负极材料研究中取得了新进展。此前，该团队创制了纵-横互连三维碳管网格膜，并以该网格膜作为对称型双电层电化学电容器的电极，构筑了小型化高性能滤波电容器。以此为基础，该团队以这种三维互连碳管网格膜为骨架，构建了结构稳定、导电性好和锂离子迁移畅通的一体化自支撑锂离子电池负极，并剖析了其机理。

锂离子电池具有转换效率高、循环寿命长、能量密度高等优点。而以石墨为负极的锂离子电池难以满足移动设备、电动汽车和储能电网等对更高能量密度和功率密度的需求，故亟待研发新型高性能锂离子电池体系。负极材料是锂离子电池体系中的关键组成部分，直接关系到电池的能量和功率性能。因此，研发比石墨负极具有更高能量和功率密度的负极材料具有重要意义。

成本低廉的二氧化锡(SnO2)和四氧化三锰(Mn3O4)等过渡金属氧化物具有较高的理论比容量，是锂离子电池的理想负极材料之一。然而，这类材料的导电性差、在充放电过程中体积变化大，制约了在锂离子电池中的应用。此前，有研究通过纳米化以及与各种碳材料导电框架形成复合结构等措施，提高了过渡金属氧化物活性材料的导电性，并有效缓释了其体积膨胀。而此过程使用了大量的导电剂、粘结剂、集流体等非活性组分，导致电极材料出现比能量密度低、离子传输通道受阻和功率密度低等问题。因此，设计构筑“一体化”集成的碳框架活性材料载体，对提升电极容量、倍率性能和稳定性等具有重要的理论意义和实际应用价值。

该研究以团队创制的三维互连碳管网格膜(3D-CT)为骨架，巧妙地将湿化学法与化学气相沉积法结合，在三维互连碳管网格膜的碳管内壁/腔内负载了存储锂离子的活性材料Mn3O4纳米颗粒和直径更小的碳纳米管CNTs。这种一体化电极具有如下优势：三维互连碳管网格膜可作为活性物质的良好导电基体，可缓释嵌锂过程中Mn3O4纳米颗粒的体积膨胀，且一体化结构和笔直孔道可促进锂离子和电子的快速输运;腔内填充的小直径碳纳米管CNTs可缓释Mn3O4纳米颗粒的体积膨胀、阻止其团聚，并可提升电极的导电性和结构稳定性。研究表明：新型锂离子电池负极具有优异的循环和倍率性能，在1 A/g的电流密度下经过300次充-放电循环，可逆比容量达到865mAh/g;即使在4A/g的高电流密度下，这一电池仍具有418 mAh/g的高可逆比容量。

同时，科研人员在三维碳管网格膜的碳管内壁同时负载了过渡金属氧化物NiO和SnO2纳米颗粒。这种新型负极具有如下优势：一体化碳管框架之间的化学键连接，提高了电极的稳定性，减小了电极内部的接触电阻，并提高了电极的导电性;有序直立的碳管阵列缩短了锂离子输运距离，加速了锂离子的快速输运，从而提升了电极的倍率性能;碳管内壁的NiO纳米颗粒能够作为活性材料提升容量，并能够与SnO2协同促进Sn向SnO2的可逆转化，提升了电极的容量和倍率性能。