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高性能可充电电池电极材料领域取得系列进展

国际新能源网  来源:宁波材料技术与工程研究所  日期:2016-12-20

随着可充电(二次)电池在能源领域的广泛应用,具有更高能量密度、更大功率密度的可充电电池体系成为研究人员追逐的研究热点。近年来,随着二次电池锂离子电池、钾离子电池、镁离子电池以及铝离子电池等的发展,开发匹配以上二次电池高性能的电极材料成为能否实现新型高性能储能与能量转换等目标的关键。

近年来,中国科学院宁波材料技术与工程研究所所属新能源技术所韩伟强、田华军领导的先进锂电池团队,在包括高能量密度锂离子电池和镁离子电池等方面取得系列进展。在高性能锂离子电池硅基负极材料方面,开发了系列微米级多孔硅及硅碳复合负极材料。研究团队开发的多孔硅负极材料首次库伦效率达到88.1%,循环100次容量保持率超过99.0%。相关研究已申请中国发明专利(201510468107.3,201610016711.7)。系列硅基负极材料的研究结果相继发表在《材料化学杂志A》(Journal of Materials Chemistry A,2015, 3, 17956-17962)和《纳米能源》(Nano Energy,2015, 11, 490–499)上。

与硅同主族的元素锗,在室温下导电率更高(是硅的104倍),同时锗的理论比容量高达1600mAh/g。研究团队利用工业化喷雾干燥的方法成功制备了高倍率性能的锗基负极材料。该锗基负极材料即使在5A/g的电流密度下,放电比容量还能保持在550 mAh/g。该方法中,利用喷雾造球形成稳固的GeOx/CNTs三维网络结构,起到了很好的电子传输作用,大大降低了电池电极的接触电阻,减小了电池的极化,实现了电池的高倍率充放电特性。相关工作发表在Journal of Materials Chemistry A(2015,3, 19393-19401)上。基于团队在锂离子电池高容量负极方面的系列进展,团队研究工作已被邀请写成综述,发表在Journal of Materiomics(2015,1(3), 153–169)杂志。

镁离子电池由于其较高的安全性、环境友好以及镁自身较高的体积比容量(3833 mAh/cm-3)等特点,越来越受到研究人员的关注。但是,镁离子电池面临着诸多问题,包括:(1)如何开发能够实现可逆镁离子沉积与溶解的电解质体系,克服大多数溶液中镁表面容易形成钝化膜阻碍镁离子传输的问题。(2)镁离子电荷密度大,极化作用强,如何找到能够有效嵌入镁离子的具有优异性能的正极材料等。基于以上的系列问题,近期,研究团队中的田华军与浙江大学、美国马里兰大学合作,在高能量密度镁离子电池方面取得原创性研究成果。相关工作被《自然-通讯》(Nature Communications)杂志接收(2016, DOI: 10.1038/ncomms14083)。该研究工作开发了一种碘基正极材料,其具有较高的工作电压(2.0 V)、较高的比容量(~200 mAh/g)以及较好的循环性能(> 120次循环充放电)。同时,该工作优化了镁基电解质体系,实现了可逆的镁离子沉积和溶解,其库伦效率接近100%。该工作深入地研究了该镁离子电池体系的反应机理,并利用其特有的储镁机理,克服了由于镁离子电荷密度大、嵌入正极材料困难的缺点,为开发新型镁离子电池提供了新的方法和思路。

上述研究工作得到了浙江省重点科技创新团队、宁波市3315国际创新团队、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、浙江省自然科学基金一般项目及宁波市自然科学基金等项目的支持。

左:微米级多孔硅负极材料的形貌图;右:微米级多孔硅的首次充放电曲线


左:GeOx/CNTs形貌图;右:GeOx/CNTs电极在不同负载量下的循环性能曲线

基于碘基正极材料的镁离子电池电化学性能

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