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新型復(fù)合金屬鋰電極材料問世突破大規(guī)模商業(yè)化瓶頸

時(shí)間:2016-04-26 08:45來源:科技日?qǐng)?bào) 作者:西顧

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以博士生梁正為骨干的研究小組首次提出“親鋰性”這一概念，并利用表面“親鋰化”處理的碳質(zhì)主體材料成功制備出一種復(fù)合金屬鋰電極，該電極可大大提高鋰電池性能。

由美國(guó)斯坦福大學(xué)著名材料學(xué)家崔屹與美國(guó)前能源部部長(zhǎng)、諾貝爾物理獎(jiǎng)得主朱棣文組成的研究團(tuán)隊(duì)，最近在金屬鋰電極的實(shí)際應(yīng)用研發(fā)方面取得重大突破。以博士生梁正為骨干的研究小組首次提出“親鋰性”這一概念，并利用表面“親鋰化”處理的碳質(zhì)主體材料成功制備出一種復(fù)合金屬鋰電極，該電極可大大提高鋰電池性能。

近年來，隨著便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車及可再生能源的迅速發(fā)展，高能量能源存儲(chǔ)器件成為新能源新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。金屬鋰具有極高的理論比容量和理想的負(fù)極電位。以金屬鋰為負(fù)極的二次電池，具有高工作電壓、高能量密度等優(yōu)勢(shì)，使得金屬鋰成為當(dāng)今能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的首選材料。然而，現(xiàn)有鋰離子二次電池各項(xiàng)指標(biāo)諸如容量、循環(huán)壽命、充電速度等，均不能滿足消費(fèi)者日益增長(zhǎng)的需求，因此，新型電極材料的研發(fā)成為重中之重。

新研究的復(fù)合金屬鋰電極在碳酸鹽電解液體系的循環(huán)過程中具有較小的尺寸變化、極高的比容量和良好的循環(huán)及倍率性能，其電壓曲線也相對(duì)平滑，突破了當(dāng)前制約金屬鋰電池大規(guī)模商業(yè)化的主要問題，即金屬鋰與電解液的副反應(yīng)，循環(huán)過程中的電極尺寸變化，以及鋰枝晶的形成。前者很大程度上降低了電池的庫倫效率，影響了其電化學(xué)性能；后兩者則會(huì)給金屬鋰電池帶來嚴(yán)重的安全隱患。

針對(duì)上述問題，該小組展開了一系列研究。經(jīng)過多次嘗試后，他們將目光轉(zhuǎn)向了納米技術(shù)。研究小組對(duì)材料表面特殊浸潤(rùn)性進(jìn)行深入研究后，首次提出了“親鋰性”這一概念，并利用表面“親鋰化”處理的碳質(zhì)主體材料，通過建立“親鋰”的界面材料體系，開創(chuàng)性地將金屬鋰融化之后，利用毛細(xì)作用吸入碳纖維網(wǎng)絡(luò)的空隙中，成功制備出含有支撐框架的復(fù)合金屬鋰電極。

復(fù)合金屬鋰電極由10%體積比的碳纖維和金屬鋰材料組成。碳纖維網(wǎng)絡(luò)具有良好的導(dǎo)電性，超高的機(jī)械強(qiáng)度和電化學(xué)穩(wěn)定性，因此，作為金屬鋰的主體框架材料是絕佳選擇。與之前的相關(guān)研究相比，梁正等人將金屬鋰融化，并依據(jù)不同材料的浸潤(rùn)性所提出的“親鋰”“疏鋰”概念，為金屬鋰電極研究提供了新思路，并且對(duì)其他領(lǐng)域的研究具有極高的借鑒作用。

該團(tuán)隊(duì)這一研究成果經(jīng)美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》在線發(fā)表后，受到業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，多家媒體相繼對(duì)其進(jìn)行追蹤報(bào)道，被認(rèn)為是鋰電池研究領(lǐng)域的重大突破。現(xiàn)這項(xiàng)研究成果已申請(qǐng)美國(guó)發(fā)明專利。

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