实验室新闻

长寿命多功能纳米储能材料研究取得新进展

时间:2015年07月16日 07:33来源: 作者: 点击:

 

    能源与环境问题已成为影响当今世界尤其是我国经济社会可持续和谐快速发展的重大瓶颈性难题之一,发展清洁能源技术刻不容缓。锂二次电池是综合性能最好的绿色化学能源存储技术之一,具有能量密度高、能源转化效率高、绿色环保等突出优势,在电动汽车及储能系统(EV/ESS)技术领域极具应用前景。

    创制高能量密度锂离子电池的关键在于高比容量电极材料的开发,目前在研的材料如金属氧化物、硅、硫等比容量(500-3000 mA h g-1)远高于传统的石墨、嵌锂金属氧化物电极材料(100-400 mA h g-1),已能初步满足高能量密度锂离子电池的制造需求,但要实现其实际应用仍有一些瓶颈性难题亟待解决,包括:1)材料导电性差,电化学反应效率低下;2)储锂过程中材料相态、密度变化导致其体积急剧膨胀(80-200 %),引起电极粉化失效;3)部分材料如硫在电解液中溶解,造成活性物质流失及电极污染,电化学反应效率低下。有鉴于此,兼具高比容量、长循环寿命的电极材料创制仍是实用化高性能锂离子电池面临的巨大挑战。

    精细化工国家重点实验室邱介山教授领导的能源材料化工学术团队在前期工作基础上(双功能分子功能化石墨烯耦合硫材料创制高性能锂硫电池电极材料, Nature Commun. 2014, 5, 5002Nanoscale 2015, 7, 7569超长寿命碳/金属氧化物柔性轻薄集成电极, Adv.Mater. 2013, 25, 3462),基于含氮分子在石墨烯表面的原位聚合反应,研究建立了制备富氮纳米碳(含氮量达到59%)功能化石墨烯的新方法,在不损伤石墨烯导电性及结构完整性的前提下,精细调控其表/界面反应活性,实现与超细金属氧化物纳米颗粒的化学耦合,制备的复合电极材料具有优异的整体结构和界面稳定性,在2-5 A g-1电流密度下稳定循环1000次后容量为540-690 mAh g-1,倍率性能高达10 A g-1,性能已超过美国能源部2011年动力电池标准。此外,金属氧化物与富氮纳米碳之间的协同作用还赋予此类复合材料优异的电化学催化性能,作为电化学氧还原反应(oxygen reduction reaction)非贵金属催化剂,表现出与商业化Pt/C催化剂媲美的性能和优异的抗甲醇中毒性能,在燃料电池领域极富应用潜力。

    相关成果近期发表于能源研究领域知名学术期刊Nano Energy (2015, 12, 578-587,影响因子10.325),论文作者:博士生刘绍鸿、董琰峰、赵昌泰、赵宗彬教授、于畅副教授、王治宇教授、邱介山教授。这一成果可望为高性能锂离子电池及燃料电池的制造与实用化提供科学与技术支持。

    此项工作得到国家自然科学基金委员会、中组部青年千人专项资金、辽宁省教育厅、大连理工大学的资助支持。

   

 

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