深研院新材料學院在納米超容量鋰電池正極材料研究中取得緊要沖破

電動車將成為將來緊要的綠色交通工具，急需開發新型高容量、高穩定和高安全的鋰電池。科學家們也在不斷嘗試各種辦法提高鋰電池的性能，其中納米化是一種改進材料電化學性能的常見辦法，尤其關于磷酸鐵鋰這類低電導率的材料具有顯著的改善效果。納米化的優勢是縮短了鋰離子的傳輸路徑，可以獲得更好的倍率性能。與塊體材料相比，納米化的缺點包括表面的鋰與界面原子的結合能降低會導致容量的損失和電壓的降低；納米化后的大比表面積會帶來更多的活性位點，大量的活性位點與電解液的接觸也會成為影響鋰電池充放電穩定性的緊要因素；納米化帶來的振實密度和能量密度的降低更是工業加工中不容忽視的問題。

（A）40nmLiFePO4一般包碳和超容量包碳的充放電曲線圖；（B）83nmLiFePO4一般包碳和超容量包碳的充放電曲線圖；（C）裸露的LiFePO4界面；（D）重構之后的LiFePO4界面（N代表一般包碳辦法，E代表超容量包碳辦法）

為了發揚納米化的優勢并克服納米化的缺點，經過3年時間的艱苦攻關，北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授課題組終于取得了緊要沖破。他們巧妙地在納米磷酸鐵鋰的表面蓋上了一個與界面能夠配位反應的殼層（磷酸鐵鋰表面生成的C-O-Fe化學鍵），不僅提高了表面鋰離子的結合能，而且出現了額外的鋰離子存儲位點。使用重構之后的納米磷酸鐵鋰材料當均勻粒徑為42nm時材料容量能夠達到了207mAhg-1，超過其理論容量（170mAhg-1）的21%，因此是一種新型的超容量的納米正極材料。該材料有很好的穩定性，在10℃下循環1000次之后仍能保持99%的容量。

（A）LiFePO4粒徑對重構后容量的影響（黑點和藍點為理論值，紅點為試驗值）；（B-D）磷酸錳鐵鋰、磷酸錳鋰和磷酸鈷鋰一般包碳和超容量包碳的充放電曲線圖

團隊通過量子化學理論計算和試驗結合，揭示了納米超容量儲能的機理，該發現對開發新型的納米儲能材料有著緊要的意義，人們可以通過設計配位基團重構界面殼層，不僅能夠實現超容量儲能，同時還可以提高納米材料使用的穩定性。該工作發表在近期的國際材料范疇優秀期刊NanoLetters（DOI：10.1021/acs.nanolett.7b02315，影響因子為12.7，自然發表指數雜志之一）上。該工作在潘鋒教授指揮下，由段彥棟博士、張炳凱博士、鄭家新博士與2015級博士生胡江濤合作完成。該工作的緊要合作者還有美國阿貢國家試驗室KhalilAmine教授和YangRen教授、伯克利國家試驗室的Lin-WangWang和WanliYang教授、西北太平洋國家試驗室Chong-MinWang教授。該項工作得到了國家新能源汽車（動力鋰離子電池）技術創新項目、廣東省引進科技創新團隊項目、廣東省自然科學基金、深圳市科技創新委基金、美國能源部以及深圳國家超算中心的支持。

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