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新材料学院在纳米超容量锂电池正极材料有重要突破
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      电动车成为未来主要绿色交通工具,急需开发新型的高容量、高稳定和高安全的锂电池。科学家们也在不断尝试各种方法提高锂电池的性能,其中纳米化是一种改进材料电化学性能的常见方法,尤其对于磷酸铁锂这类低电导率的材料具有显著的改善效果。纳米化的优点是缩短了锂离子的传输路径,可以获得更好的倍率性能。与块体材料相比,纳米化的缺点包括表面的锂与界面原子的结合能降低会导致容量的损失和电压的降低;纳米化后的大比表面积会带来更多的活性位点,大量的活性位点与电解液的接触也会成为影响锂电池充放电稳定性的主要因素; 纳米化带来的振实密度和能量密度的降低更是工业生产中不容忽视的问题。

图1 (A)40 nm LiFePO4普通包碳和超容量包碳的充放电曲线图 (B) 83 nm LiFePO4普通包碳和超容量包碳的充放电曲线图(C)裸露的LiFePO4界面 (D)重构之后的LiFePO4界面 (N 代表普通包碳方法,E代表超容量包碳方法)

 

      为了发扬纳米化的优点并克服纳米化的缺点, 经过3年时间的艰苦攻关,北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授课题组终于取得了重要突破。他们巧妙地在纳米磷酸铁锂的表面盖上了一个与界面能够配位反应的壳层(磷酸铁锂表面生成的 C-O-Fe化学键),不仅提高了表面锂离子的结合能,而且产生了额外的锂离子存储位点。使用重构之后的纳米磷酸铁锂材料当平均粒径为42nm材料容量能够达到了 207 mAh g-1, 超过其理论容量(170 mAh g-1)的21%,因此是一种新型的超容量的纳米正极材料。该材料有很好的稳定性,在10C下循环仍能1000次之后仍能保持99%的容量。

图2 (2)LiFePO4粒径对重构后容量的影响(黑点和蓝点为理论值,红点为实验值) (B-D)

磷酸锰铁锂、磷酸锰锂和磷酸钴锂普通包碳和超容量包碳的充放电曲线图

 

       团队通过量子化学理论计算和实验结合,揭示了纳米超容量储能的机理,该发现对开发新型的纳米储能材料有着重要的意义,人们可以通过设计配位基团重构界面壳层,不仅能够实现超容量储能,同时还可以提高纳米材料应用的稳定。该工作发表在近期的国际材料领域的顶级期刊Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02315, 影响因子为12.7,Nature Index杂志之一)上。该工作在潘锋教授指导下,由段彦栋博士、张炳凯博士、郑家新博士与15级博士生胡江涛合作完成。该工作的主要合作者还有美国阿贡国家实验室Khalil Amine教授和Yang Ren教授、伯克利国家实验室的Lin-Wang Wang和Wanli Yang教授、西北太平洋国家实验室Chong-Min Wang教授。该项工作得到了国家新能源汽车(动力电池)技术创新项目、广东省引进科技创新团队项目、广东省自然科学基金、深圳市科技创新委基金、美国能源部以及深圳国家超算中心的支持。

 

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文章链接:http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b02315