納米硅鋰電池的案例
新型納米硅鋰電池問世！整車?yán)m(xù)航里程翻倍 公交車8分鐘充電超60%
同時(shí)，中國(guó)在新能源電池的核心技術(shù)方面也不斷傳來(lái)好消息，80歲的中國(guó)鋰電池第一人陳立泉帶著他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了新型的電池材料。
新型納米硅鋰電池問世，容量是傳統(tǒng)鋰電池的5倍
80歲的中國(guó)工程院院士陳立泉是中國(guó)鋰電產(chǎn)業(yè)的奠基人。上世紀(jì)80年代，陳立泉和團(tuán)隊(duì)在中國(guó)率先開展了固體電解質(zhì)和鋰二次電池研究。1996年，他帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先研制出鋰離子電池，率先解決了國(guó)內(nèi)鋰離子電池規(guī)模化生產(chǎn)的科學(xué)技術(shù)與工程問題，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化。
在江蘇溧陽(yáng)，陳立泉院士的得意門生李泓，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過二十多年的技術(shù)攻關(guān)，在一項(xiàng)鋰電池關(guān)鍵原材料上獲得了突破，并在2017年進(jìn)行了量產(chǎn)。
納米硅負(fù)極材料是他們自主研發(fā)的新材料，用它做成的紐扣電池，其容量是傳統(tǒng)石墨鋰電池的5倍。
天目先導(dǎo)電池材料科技有限公司總經(jīng)理羅飛
硅在自然界中廣泛存在，儲(chǔ)量豐富，砂子的主要成分就是二氧化硅。但是要把金屬硅做成硅負(fù)極材料，就要進(jìn)行特殊的加工處理。在實(shí)驗(yàn)室里，完成這樣的加工處理并不是難事，但是要做成噸級(jí)的硅負(fù)極材料，這就需要大量的技術(shù)攻關(guān)和試驗(yàn)。
中科院物理所從1996年就開始研究納米硅，2012年開始做硅負(fù)極材料生產(chǎn)線，直到2017年才做出第一條生產(chǎn)線，而且不停地調(diào)整修正。經(jīng)歷過幾千次的失敗才批量生產(chǎn)出了硅負(fù)極材料。目前，溧陽(yáng)這家工廠年產(chǎn)鋰離子電池硅負(fù)極材料可以達(dá)到2000噸。
如果說硅負(fù)極材料是未來(lái)提高鋰電池能量密度的一個(gè)很好的選擇，那么固態(tài)電池技術(shù)則是解決目前鋰電池安全性、循環(huán)壽命等問題的一種公認(rèn)的有效解決方案。當(dāng)前很多國(guó)家都在積極布局固態(tài)電池的研制，中國(guó)在固態(tài)鋰電池技術(shù)方面的研發(fā)也在與國(guó)際同步。
在溧陽(yáng)的這家工廠里，采用了李泓教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的固態(tài)鋰電池的無(wú)人機(jī)，續(xù)航里程比同樣規(guī)格的無(wú)人機(jī)，增加了20%。
展開 陳立泉院士研究新型納米硅鋰電池問世,整車?yán)m(xù)航里程翻倍
當(dāng)前，對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說，最大的限制因素仍然是電池。而如果電池能夠解決充電速度慢、續(xù)航短、充放電性能衰減的弊端，電動(dòng)車的普及速度也將會(huì)大大加快。
據(jù)央視財(cái)經(jīng)報(bào)道，“十三五”期間，中國(guó)新能源汽車呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，同時(shí)，中國(guó)在新能源電池的核心技術(shù)方面也不斷傳來(lái)好消息，80歲的中國(guó)鋰電池第一人陳立泉帶著他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了新型的電池材料。
80歲的中國(guó)工程院院士陳立泉是中國(guó)鋰電產(chǎn)業(yè)的奠基人，1996年，他帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先研制出鋰離子電池，率先解決了國(guó)內(nèi)鋰離子電池規(guī)模化生產(chǎn)的科學(xué)技術(shù)與工程問題，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化。
在江蘇溧陽(yáng)，陳立泉院士的得意門生李泓，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過二十多年的技術(shù)攻關(guān)，在一項(xiàng)鋰電池關(guān)鍵原材料上獲得突破，并在2017年進(jìn)行了量產(chǎn)。
據(jù)介紹，中科院物理所從1996年就開始研究納米硅，納米硅負(fù)極材料是他們自主研發(fā)的新材料，用它做成的紐扣電池，其容量是傳統(tǒng)石墨鋰電池的5倍。
同時(shí)，李泓教授研發(fā)的新型固態(tài)電池，采用這款電池的無(wú)人機(jī)，續(xù)航增加20%，奧秘都在這塊電池的固態(tài)化正極材料上。
2018年，這里已經(jīng)完成了300Wh/kg固態(tài)動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，在車輛上搭載后，可以使整車?yán)m(xù)航里程增加一倍。在今年5月份，這類固態(tài)電池已經(jīng)開始在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。
此外，不僅中科院物理所，很多企業(yè)也都在探索新能源電池的技術(shù)、新材料。在廣東珠海的銀隆新能源儲(chǔ)能系統(tǒng)研究院，一輛純電公交車正在進(jìn)行充電。
據(jù)工程師介紹，這輛搭載鈦酸鋰電池的公交車充電三分鐘，電量就從33%充到60%以上，僅僅8分鐘，公交車就已充滿了，電量顯示99%。
展開 硅材料在鋰電池中的應(yīng)用
硅負(fù)極的優(yōu)勢(shì)在哪里
石墨的理論能量密度是372 mAh/g，而硅負(fù)極的理論能量密度超其10倍，高達(dá)4200mAh/g，而且還具有環(huán)境友好、儲(chǔ)量豐富等特點(diǎn)， 通過在石墨材料加入硅來(lái)提升電池能量密度已是業(yè)界公認(rèn)的方向之一，日韓等大電芯廠商都在做硅碳負(fù)極電池的商業(yè)化，包括比亞迪、力神、比克、萬(wàn)向等國(guó)內(nèi)電池廠商也在跟蹤，但是至目前為止還沒有看到量產(chǎn)的產(chǎn)品。特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550mAh/g以上，特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550mAh/g以上。
硅材料在鋰電池的應(yīng)用
硅材料在鋰離子電池中的應(yīng)用，主要涉及兩方面，一是在負(fù)極材料中加入納米硅，形成硅碳負(fù)極，二是在電解液中加入有機(jī)硅化合物，改善電解液的性質(zhì)。
(一)納米硅：鋰電負(fù)極材料的重要成員
納米硅，指的是直徑小于5納米的晶體硅顆粒，是一種重要的非金屬無(wú)定形材料，常由溶膠凝膠法等方法制備而成。納米硅粉具有純度高、粒徑小、分布均勻、比表面積大、高表面活性、松裝密度低等特點(diǎn)，且無(wú)毒、無(wú)味。 納米硅的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛：①與石墨材料組成硅碳復(fù)合材料，作為鋰離子電池的負(fù)極材料，大幅提高鋰離子電池的容量，這是我們關(guān)注的重點(diǎn);②用于制造耐高溫涂層和耐火材料;③與金剛石高壓下混合形成碳化硅-金剛石復(fù)合材料，用做切削刀具;④可與有機(jī)物反應(yīng)，作為有機(jī)硅高分子材料的原料;⑤金屬硅通過提純制取多晶硅;⑥半導(dǎo)體微電子封裝材料;⑦金屬表面處理。
(二)有機(jī)硅：鋰電電解液的功能添加劑
有機(jī)硅，是一類人工合成的，結(jié)構(gòu)上以硅原子和氧原子為主鏈的一種高分子聚合物。由于構(gòu)成主鏈的硅-氧結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)，因此有機(jī)硅高聚物的分子比一般有機(jī)高聚物對(duì)熱、氧穩(wěn)定得多。
展開 硅納米柱嵌鋰過程的塑性流動(dòng)和原子尺度應(yīng)力變化
因此，該研究提出的新的模擬，不僅補(bǔ)充了現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究，還進(jìn)一步揭示了難以監(jiān)測(cè)的嵌鋰過程中的力學(xué)效應(yīng)。
總之，作者通過大規(guī)模的原子模擬來(lái)研究具有不同軸向取向的晶體和非晶硅納米柱，使得第一次在原子尺度上捕獲了嵌鋰引起的環(huán)向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。特別地，展示了環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力從壓應(yīng)力到拉伸應(yīng)力的轉(zhuǎn)變，這可以解釋實(shí)驗(yàn)觀察到的裂紋起源于硅納米柱的外表面。最重要的是，通過跟蹤選定硅原子的軌跡和選定Li3.75Si區(qū)域的原子剪切應(yīng)變，首次揭示了嵌鋰過程中塑性流動(dòng)的形成，顯示了硅嵌鋰過程中通過形成剪切帶表現(xiàn)的高損傷容限。最后，基于模擬結(jié)果，建立了簡(jiǎn)單的斷裂力學(xué)模型，成功地預(yù)測(cè)了硅納米柱的臨界斷裂尺寸，并對(duì)各種硅納米柱的斷裂抗力進(jìn)行了定量分析，這些發(fā)現(xiàn)可以指導(dǎo)下一代鋰離子電池新型硅基負(fù)極的設(shè)計(jì)。
展開 
交錯(cuò)組裝碳納米管制備超高比容量鋰金屬負(fù)極用于鋰氧電池
【研究背景】
隨著現(xiàn)代電子設(shè)備、電網(wǎng)存儲(chǔ)和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，對(duì)高能量密度電池的需求變得比過去任何時(shí)候都更加緊迫。鋰-氧電池具有超高的理論能量密度，而被認(rèn)為是下一代電力系統(tǒng)的主力軍，但目前仍無(wú)法在保持高能量存儲(chǔ)能力的同時(shí)保證鋰負(fù)極的安全性和循環(huán)效率。目前為解決這些問題，一方面是嘗試在鋰金屬表面制備保護(hù)膜以提高鋰/電解質(zhì)界面的穩(wěn)定性；另一方面則是探索合金鋰負(fù)極如鋰化硅和鋰/石墨烯復(fù)合物來(lái)代替金屬鋰。然而，這兩種方法都需要引入電化學(xué)惰性或低容量的第二組分，大大降低活性鋰的負(fù)荷量和利用率，導(dǎo)致了低比容量，這與研究高能量密度的Li-O2電池的初衷背道而馳。因此，急需研究可以保持高比容量的同時(shí)提高安全性和循環(huán)效率的電池系統(tǒng)。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝教授團(tuán)隊(duì)為克服這一挑戰(zhàn)，將取向碳納米管交叉堆疊成多孔網(wǎng)絡(luò)，用于形成超高容量的鋰負(fù)極。該新型負(fù)極具有高達(dá)3656 mAh/g的可逆比容量，接近純鋰的理論容量3861 mAh/g。當(dāng)該負(fù)極用于鋰氧全電池時(shí)，由于無(wú)枝晶產(chǎn)生和穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面，循環(huán)穩(wěn)定性顯著提高。這項(xiàng)工作通過設(shè)計(jì)一維導(dǎo)電納米材料的交叉堆疊和對(duì)齊結(jié)構(gòu)，推進(jìn)了高性能鋰-氧電池向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展。該成果近日以題為“Stabilizing lithium into cross-stacked nanotube sheets with ultra-high specific capacity for lithium oxygen battery”發(fā)表在知名期刊Angew. Chem. Int. Ed上。
展開 硅 – 金屬?gòu)?fù)合材料的發(fā)展為高容量的鋰離子可充電電池
一個(gè)研究小組在技術(shù)，美國(guó)喬治亞理工學(xué)院直樹Fukata，在日本國(guó)際交流中心材料Nanoarchitectonics（MANA），國(guó)家材料科學(xué)研究所（NIMS），納米半導(dǎo)體材料集團(tuán)的領(lǐng)導(dǎo)者，一個(gè)研究小組的帶領(lǐng)下，通過形成于金屬基板由硅（Si）的納米顆粒 - 金屬?gòu)?fù)合材料的聯(lián)合開發(fā)為鋰（Li） - 離子可充電電池的陽(yáng)極材料。所得的陽(yáng)極材料具有高的能力幾乎兩倍高常規(guī)材料和長(zhǎng)的循環(huán)壽命。這些結(jié)果將導(dǎo)致更高的容量，更長(zhǎng)壽命的負(fù)極材料的鋰離子充電電池的開發(fā)。
目前，基于碳的材料被用作陽(yáng)極為鋰離子可充電電池，其容量是高達(dá)370毫安/克 從理論上講，它們的能力可以提高10倍以上4200毫安/克，提供純硅被用作陽(yáng)極材料。然而，純硅是高度可擴(kuò)展的，三 至四次（體積），其中鋰離子被結(jié)合到它的過程中。由于這種特性，純硅負(fù)極材料是容易產(chǎn)生裂紋作為大量的應(yīng)力在反復(fù)充放電循環(huán)被適用于他們，因此批量使用純硅作為陽(yáng)極材料嚴(yán)重縮短電池的循 環(huán)壽命。因此，純硅沒有被使用，直到最近。
聯(lián)合研究小組形成在金屬基材的一維鍺（Ge）納米線和使用該納米線作為基材層，然后在納米結(jié)構(gòu)的Si-金屬?gòu)?fù)合材料。所形成的納米結(jié)構(gòu)化材料的特征在于現(xiàn)有的約幾十納米內(nèi)聚集的納米粒子到幾百納米眾多空腔。也有一些在Si-金屬?gòu)?fù)合材料和Ge的納米結(jié)構(gòu)（圖1）之間存在較大的空腔。另一個(gè)特征是，該材料不僅包括純硅而且金屬原子（主要是鐵），其自發(fā)地從襯底經(jīng)由底層鍺納米結(jié)構(gòu)提供和摻入到生長(zhǎng)Si材料，形成硅 - 金屬?gòu)?fù)合材料。
根據(jù)對(duì)制成樣品的充放電特性的評(píng)價(jià)，研究組證實(shí)，新陽(yáng)極材料的容量為當(dāng)前的陽(yáng)極材料的大約兩倍的容量，并且其循環(huán)壽命也延長(zhǎng)比常規(guī)材料。
新材料能夠提高鋰離子二次電池陽(yáng)極的兩個(gè)容量和壽命。
展開 多孔碳納米管上完全覆蓋的皺折Ir納米片，用于長(zhǎng)壽命可充電鋰—二氧化碳電池
其中，作為創(chuàng)新能量?jī)?chǔ)存的鋰—二氧化碳電池是一種新型的綠色能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可以以環(huán)保的方式利用大氣中的二氧化碳。然而，現(xiàn)有Li-CO2電池的最大問題是它們具有高極化和差的循環(huán)性能，主要是由絕緣和不溶性放電產(chǎn)物L(fēng)i2CO3引起的。因此，如何解決由Li2CO3引起的問題，是目前研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，北京理工大學(xué)的陳人杰教授和北京大學(xué)的郭少軍教授（共同通訊作者）等報(bào)道了一種完全錨定在N摻雜碳納米纖維（Ir NSs-CNFs）表面上的起皺、超薄Ir納米片，作為改善鋰—二氧化碳電池性能的有效陰極。改善后的電池可以穩(wěn)定地放電并充電至少400次循環(huán)，截止容量為1000 mAh g-1—500 mA g-1。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)了目前最小電荷過電位現(xiàn)象，即陰極通過在100 mA g-1下顯示低于3.8 V的充電終止電壓來(lái)有效地降低電荷過電位。在放電過程中，對(duì)中間產(chǎn)物的非原位分析表明Ir NSs-CNFs可以極大地穩(wěn)定無(wú)定形顆粒中間體（可能是Li2C2O4）并延遲其進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)楸“鍫頛i2CO3；而在充電過程中，它可以使Li2CO3易于完全分解，大大提高鋰—二氧化碳電池的性能。研究成果以為“Crumpled Ir Nanosheets Fully Covered on Porous Carbon Nanofbers for Long-Life Rechargeable Lithium–CO2 Batteries”題發(fā)布在國(guó)際著名期刊Adv. Mater.上。
展開 川大《AFM》：用于可充電鋰化硅-多硫化物全電池的一種內(nèi)置異質(zhì)結(jié)構(gòu)多室主體架構(gòu)
來(lái)自四川大學(xué)，哈佛大學(xué)等單位的研究人員，設(shè)計(jì)了一種由天然結(jié)構(gòu)蛋白衍生的具有內(nèi)嵌TiN/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多室碳納米纖維宿主結(jié)構(gòu)。TiN/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)是天然富氮生物前驅(qū)體在不添加任何氮源的情況下，通過熱致拓?fù)浠瘜W(xué)自氮化在碳納米管中自發(fā)生成的。理論計(jì)算的外場(chǎng)/原位實(shí)驗(yàn)證實(shí)了聚硫醚在極性異質(zhì)界面上的強(qiáng)捕獲和增強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了聚硫醚的固載-二次擴(kuò)散轉(zhuǎn)化。具有豐富內(nèi)部空隙和高導(dǎo)電性的多室主體結(jié)構(gòu)保證了液態(tài)Li2S6陰極的容納性，同時(shí)確保了電池可以在貧電解液中工作。因此，得到的鋰聚硫醚電池在500次循環(huán)中表現(xiàn)出0.023%的超低容量衰減率和相當(dāng)大的面積容量(≈6mAh cm-2)，在高S負(fù)載下(5.8mg cm-2)。重要的是，基于鋰化硅負(fù)極和聚硫醚陰極的巧妙的混合全電池即使在低負(fù)/正容量比(≈1.18)下也能夠獲得可觀的循環(huán)性能和高能量密度。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202103456
綜上所述，本文報(bào)道了一種具有內(nèi)建拓?fù)浠瘜W(xué)自氮化作用的生物衍生多孔碳納米管結(jié)構(gòu)，通過一種簡(jiǎn)單易行、易于放大的策略實(shí)現(xiàn)了TiN/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)型，目標(biāo)是構(gòu)建先進(jìn)的鋰化硅-聚硫醚全電池。根據(jù)富含N的膠原生物前驅(qū)體對(duì)拓?fù)浠瘜W(xué)鈦的響應(yīng)，可以自發(fā)生成極性的TiN-TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并將其嵌入到多室碳納米纖維骨架中，而不需要額外的氮源。
高度多孔的納米碳纖維基質(zhì)具有有序的腔體狀內(nèi)部空間、增強(qiáng)的導(dǎo)電性和堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為液體聚硫鋰的注入和空間容納提供了理想的宿主結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)和理論上證明了TiN-TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)既是捕捉劑又是介體，其協(xié)同促進(jìn)了聚硫醚在極性異質(zhì)界面上的固定化和轉(zhuǎn)化。
展開 清華《AM》：凝膠拉伸法制備的鋰離子電池納米孔無(wú)收縮隔膜！
然而，商用聚烯烴隔板不僅在高溫下不可避免地出現(xiàn)熱收縮，而且無(wú)法抑制O2等反應(yīng)性氣體中隱藏的化學(xué)串?dāng)_，導(dǎo)致經(jīng)常報(bào)道的熱失控(TR)，從而阻礙了高能量密度鋰離子電池的大規(guī)模實(shí)施。
來(lái)自清華大學(xué)和美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者通過一種新的凝膠拉伸取向方法制備了一種消除TR的納米孔無(wú)收縮分離器(GS-PI)。加熱過程中的同步輻射小角X射線原位散射清楚地表明，所制備的薄GS-PI隔膜在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械公差，從而有效地防止了內(nèi)部短路。同時(shí)，獨(dú)特的納米孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步阻止了化學(xué)串?dāng)_和相關(guān)的放熱反應(yīng)。加速量熱測(cè)試表明，使用GS-PI納米孔分離器制備的1Ah LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)/石墨袋裝電池的最大溫升(dt/dtmax)僅為3.7℃s-1，而用Al2O3@PE大孔分離器制備的1Ah LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)/石墨袋裝電池的最大溫升(dt/dt max)僅為131.6°C s?1。此外，盡管孔徑減小，但GS-PI隔膜在高溫下表現(xiàn)出比傳統(tǒng)Al2O3@PE隔膜更好的循環(huán)穩(wěn)定性，而不犧牲比容量和倍率性能。
展開 碳納米管：依托鋰電池行業(yè)邁向千億級(jí)市場(chǎng)的新材料
2021年6月，湘潭電化也公告，通過參股公司湖南裕能在貴州新建年產(chǎn)30萬(wàn)噸磷酸鐵和30萬(wàn)噸磷酸鐵鋰，投資總額為70億元；湖南裕能還擬在昆明市建設(shè)年產(chǎn)35萬(wàn)噸磷酸鐵和35萬(wàn)噸磷酸鐵鋰項(xiàng)目，預(yù)計(jì)總投資100億元。
鋰電池的負(fù)極、隔膜、電解液、銅箔等產(chǎn)業(yè)鏈，雖然投資門檻略低，但是投資資金動(dòng)則也是十億元起步。與之不同的是，雖然導(dǎo)電劑的成本，大致只占鋰電池的2%左右。但是由于鋰電池行業(yè)現(xiàn)在已是萬(wàn)億級(jí)的大產(chǎn)業(yè)，所以現(xiàn)在鋰電池導(dǎo)電劑也成為了很大的產(chǎn)業(yè)，而且其產(chǎn)業(yè)介入的門檻還不是很高。
更重要的是，導(dǎo)電劑雖然在鋰電池里占比少，但是對(duì)鋰電池的性能具有很大的影響。鋰電池的導(dǎo)電劑，有不同的種類，都是各種不同結(jié)構(gòu)的碳材料。包括類球形的炭黑（顆粒直徑數(shù)十nm級(jí)），片狀的石墨片，以及一維線狀的碳納米管。所有不同種類的鋰電池導(dǎo)電劑中，以碳納米管的添加量最少，性能最好，市場(chǎng)占比最大。
進(jìn)一步展開來(lái)說，碳納米管是20世紀(jì)90年代日本科學(xué)家Iijima先生（Iijima Sumio. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature,1991,354:56～58）發(fā)現(xiàn)的新材料，是石墨化的碳原子卷曲而成的納米級(jí)無(wú)縫中空管狀結(jié)構(gòu)。
（5層碳納米管的透射電鏡照片，具有同軸管狀結(jié)構(gòu)，照片來(lái)源：趙社濤）
碳納米管在鋰電池里起到的作用，包括如下：
1、降低鋰電池的內(nèi)阻。鋰電池的正極材料都是導(dǎo)電性不足的無(wú)機(jī)含鋰氧化物材料，各種鋰離子電池里，都需要添加高導(dǎo)電性的碳材料導(dǎo)電劑，從而降低鋰電池內(nèi)部的電阻。鋰電池作為一個(gè)電源，從外部看，內(nèi)阻肯定是越小越好。尤其在功率應(yīng)用情形下，小內(nèi)阻是必要的條件。低溫下電池性能下降，其重要的原因之一就是低溫下電池內(nèi)阻過大造成的。
展開 中科院蘇州納米所《AFM》，高性能鋰金屬電池研究中取得重要進(jìn)展
便攜式智能器件與長(zhǎng)續(xù)航電動(dòng)汽車的發(fā)展，對(duì)可充電的二次電池的能量密度提出了更高的要求。當(dāng)鋰負(fù)極與硫正極相匹配時(shí)，組成鋰硫電池的容量高達(dá)2600 Wh kg-1，這將適用于未來(lái)高能量密度需求的電動(dòng)汽車。在前期的硫正極研究中，從納米材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與表面功能化出發(fā)（Journal of Power Sources, 2016, 321, 193；Nano Energy, 2017, 40, 390），制備出不同的活性納米催化劑復(fù)合材料（ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 12727；Energy Storage Materials, 2020, 28, 375；ChemSusChem, 2020, 13, 3404），并選用原位光譜手段探究其相關(guān)作用機(jī)制 （Energy Storage Materials, 2019, 18, 246；Energy & Environmental Materials, 2020, DOI: 10.1002/eem2.12152）。
在眾多負(fù)極中，金屬鋰負(fù)極具有高的理論比容量和低的電極電勢(shì)。然而，壽命短和穩(wěn)定性差等問題阻礙其商業(yè)化進(jìn)程。金屬鋰負(fù)極面臨挑戰(zhàn)：電化學(xué)形成的固態(tài)電解質(zhì)中間相（SEI）的脆性與疏松性，使金屬鋰發(fā)生不均勻沉積與溶解，最終形成枝晶；體積膨脹引起的電極結(jié)構(gòu)變形和粉化。
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清華大學(xué)呂偉《AFM》三明治碳納米管層狀MXene復(fù)合氣凝膠，實(shí)現(xiàn)高硫負(fù)載的穩(wěn)定鋰硫電池
【科研摘要】
在高硫負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性是鋰硫（
Li–S）電池實(shí)際使用的基本要求。
最近
，
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院
呂偉副研究員
團(tuán)隊(duì)
通過單向冷凍干燥制備了由Ti
3
C
2
T
x
MXene/碳納米管（CNT）三明治組成的層狀氣凝膠，以提高高硫負(fù)荷電池的循環(huán)穩(wěn)定性。由于獨(dú)特的平行排列結(jié)構(gòu)，所生產(chǎn)的材料被表示為平行排列的MXene/CNT（PA-MXene/CNT）。
MXene/CNT/MXene夾層的薄片形成多個(gè)物理屏障，再加上MXenes的化學(xué)捕獲和催化活性，有效抑制了高硫負(fù)載下的多硫化鋰（LiPS）穿梭，更重要的是，大大提高了3D主機(jī)的LiPS
限制能力不含微孔和中孔。
組裝好的
Li–S電池可提供712 mAh g
-1
的高容量和7 mg cm
-2
的硫負(fù)荷，以及出色的循環(huán)穩(wěn)定性，在0.5 C的800個(gè)循環(huán)中，每個(gè)循環(huán)的容量衰減為0.025％。在10
m
g cm
-2
的電導(dǎo)率下，經(jīng)過300次循環(huán)后，可獲得6 mAh cm
-2
以上的高面積容量。
這項(xiàng)工作為合理設(shè)計(jì)高硫負(fù)荷主機(jī)提供了一個(gè)典型示例，這對(duì)于Li-S電池的實(shí)際使用至關(guān)重要
。相關(guān)論文以題為
Lamellar MXene Composite Aerogels with Sandwiched Carbon Nanotubes Enable Stable Lithium–Sulfur Batteries with a High Sulfur Loading
發(fā)表在《
A
dvanced Functional Materials
》上。
展開 .》: 具有碳涂層的竹節(jié)狀SiOx/C納米管作為鋰離子電池的耐用高性能負(fù)極
這種竹子狀結(jié)構(gòu)有望擴(kuò)展到其他類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)，例如全氣候電池、鋰硫電池和鈉離子電池。
西安交大 | 鋰離子電池電極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面取得新進(jìn)展，研究成果發(fā)表于納米領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊ACS N
電極材料在嵌/脫鋰過程中伴隨著體積的膨脹/收縮。這種體積效應(yīng)往往會(huì)導(dǎo)致材料破碎失效。因此，電極材料在充放電循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對(duì)電池的容量、倍率以及循環(huán)壽命等性能有著至關(guān)重要的影響。
基于二氧化硅（SiO2）作為填料可以提高復(fù)合材料機(jī)械性能這一現(xiàn)象，西安交通大學(xué)電氣學(xué)院牛春明千人團(tuán)隊(duì)王紅康老師課題組設(shè)計(jì)并成功制備了一種SiO2增強(qiáng)的多孔Sb/C纖維復(fù)合材料。
利用靜電紡絲法將硅源（硅酸乙酯）、銻源（三氯化銻）和碳源（聚乙烯吡咯烷酮）制備成纖維結(jié)構(gòu)，再通過熱處理一步形成了多孔碳纖維包覆SiO2和Sb納米顆粒的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。
SiO2的引入大大增強(qiáng)了纖維的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。作為鋰離子電池負(fù)極材料，所得SiO2/Sb/C多孔纖維電極在半電池和全電池測(cè)試中均顯示了優(yōu)異的電化學(xué)性能。碳纖維不但提高了電極材料的導(dǎo)電性，而且其多孔結(jié)構(gòu)有效消納了SiO2和Sb在嵌/脫鋰過程中體積變化。
通過原位和非原位電鏡表征，進(jìn)一步揭示了該材料在嵌/脫鋰過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該工作提出的電極材料結(jié)構(gòu)增強(qiáng)思路，即利用SiO2增強(qiáng)效應(yīng)（Silica-Reinforcement Effect）同步實(shí)現(xiàn)了電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和儲(chǔ)鋰性能的雙提升，且該方法具有通用性（Materials Today Energy 2016, 1–2, 24-32；Nanoscale 2016, 8, 7595-7603）。
展開 汽車頻道每周內(nèi)容合集Q4
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