为让下一代锂电池更轻便：天津大学科学团队研制出了“硫模板法”

2018-02-01 14:45

近年来，手机、笔记本电脑等电子产品一直在向更轻更薄发展，其中，二次（充电）电池在保持大小不变或更小的情况下，续航能力却要求不断提升。此外，在即将到来的新能源汽车时代，如何在有限的车体空间内拥有更长续航里程的电量也是一个需要解决问题。

针对日益增强的需求，研究学者一直致力于二次电池的性能提升研究。他们发现纳米技术可以使电池“更轻”、“更快”，但由于纳米材料较低的密度，“更小”成为横亘在储能领域科研工作者面前的一道难题。

近日，天津大学化工学院杨全红教授及其研究团队提出了一种“硫模板法”，他们通过对高体积能量密度锂离子电池负极材料的设计，最终完成石墨烯对活性颗粒包裹的“量体裁衣”，使锂离子电池变得“更小”成为可能。

在材料的性质研究上，研究学者发现，虽然锂离子电池已经具有很高的能量密度，但是锡、硅等非碳材料有望取代目前商用石墨，大幅提高锂离子电池的质量能量密度。不过，这两种材料的体积膨胀问题限制了其自身的应用和发展。

于是研究人员采用改进后的碳纳米材料构建的碳笼结构解决了这一问题，基于石墨烯界面组装，他们发明了对致密多孔碳笼精确定制的硫模板技术。

在采用毛细蒸发技术构建致密石墨烯网络的过程中，研究人员引入硫作为一种可流动的体积模板，为非碳活性颗粒完成了石墨烯碳外衣的定制。实验中，通过调制硫模板使用量，他们可以精确调控三维石墨烯碳笼结构，实现对非碳活性颗粒大小“合身”的包覆，从而在有效缓冲因非碳活性颗粒嵌锂而导致的巨大体积膨胀，使其作为锂离子电池负极表现出优异的体积性能。

通过这项研究，杨全红教授研究团队成功解决了碳材料高密度和孔隙率“鱼和熊掌不可兼得”的瓶颈问题，得到了高密度的多孔碳材料。

值得指出的是，这种基于石墨烯组装的碳笼结构“量体裁衣”的设计思想可以拓展为普适化的下一代高能锂离子电池和锂硫电池、锂空气电池等电极材料的构建策略，从而使储能电池有望实现“小体积”“高容量”，极大满足用户便携性的需求。