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学术进展

杨剑课题组锂离子二次电池负极材料研究取得重要进展

dangwei    Oct. 18, 2016, 2:28 p.m.

 

近日,化学与化工学院钱逸泰院士团队杨剑教授课题组在高性能锂离子二次电池负极材料的研究方面获得重要进展。论文以“Mesoporous Amorphous Silicon: A Simple Synthesis of a High-Rate and Long-Life Anode Material for Lithium-Ion Batteries”为题,作为HOT PAPER发表于《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed2016DOI: 10.1002/anie.201608146)上。并被CHEMIE.DE的记者以重要新闻的形式刊登于www.chemeurope.com上(www.chemeurope.com/en/news/160070/; www.q-more.com/en/news/160070/)。该论文的第一作者是我院2016级博士研究生林良栋。

目前商用锂离子电池的功率和能量密度已无法满足人们日益激增的需求,因此需要探寻高比容量的电极材料。在负极材料中,以合金机制储锂的硅材料具有超高的理论比容量,但是在锂离子脱嵌过程中也面临着巨大的体积变化(~ 300%)。在充放电循环中,其往往无法承受反复体积变化带来的巨大应力而从集流体上脱落,导致电池可逆容量快速衰减。

针对上述存在的问题,合成纳米空心结构或者制备非晶材料可以有效缓解材料体积变化带来的应力。但是非晶空心结构硅材料的制备却异常困难,往往伴随着昂贵的设备、危险的原材料、复杂的工艺流程。该论文发展一种简单的自模板法在低温下制得介孔非晶硅材料,并利用材料自身易氧化的特性通过高温退火在材料表面覆盖一层硅氧化物膜。整个制备过程完全避免了上述缺点,简便易行,为规模化制备高性能硅基负极材料提供了新的思路。表面硅氧化物膜在首次放电时能和锂反应生成导电性良好的氧化锂,增强电极材料与集流体之间的电荷传输。材料的多孔结构除了大大缓解充放电过程中的体积效应外,还缩短了锂离子在硅基质中扩散的路径。因此该材料展现出良好循环稳定性及倍率性能。在3 A g-1的电流密度下循环700圈,其可逆容量依旧可以保持在1000mAh g-1以上,容量保持率为88%

近年来,杨剑教授课题组在新能源储能材料方面还取得了一系列成果,包括含有氧空位缺陷的二氧化钛包覆金属锑纳米颗粒的双层纳米管在锂/钠离子电池中的应用(Adv. Mater., 2016, 28, 4126-4133.),氧缺陷钒酸锂在锂离子电池中的应用Adv. Sci., 2015, 2, 1500090Highlighted by Materialsview china.com),等等。上述研究得到了国家重大基础研究计划(2011CB935901),国家重大仪器研制专项(61527809),国家自然科学基金面上项目(21471090),山东省泰山学者支持计划(ts201511004),山东省杰出青年基金(JQ201205)等项目的支持。

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