鋰離子電池（LIB）是可持續(xù)能源技術(shù)的未來(lái)，但在不斷提高電池容量的研發(fā)過(guò)程中，電池陽(yáng)極體積會(huì)發(fā)生劇烈膨脹，從而引發(fā)安全問(wèn)題。據(jù)外媒報(bào)道，近日，韓國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)一種創(chuàng)新、簡(jiǎn)單且成本低的方法，即將硒化錳陽(yáng)極嵌入3D碳納米片基質(zhì)中，可以避免鋰離子電池體積發(fā)生劇烈膨脹，同時(shí)也提高了電池的能量密度。

 

（圖片來(lái)源：期刊Chemical Engineering）

 

作為下一代能源解決方案，LIB這種用于電氣設(shè)備或電動(dòng)汽車的可再生能源一直備受關(guān)注。然而，目前使用的LIB的陽(yáng)極存在多項(xiàng)不足，包括低離子電子電導(dǎo)率和充放電循環(huán)期間的結(jié)構(gòu)變化，以及低比容量，大大限制了電池的性能。

 

為了尋找更好的負(fù)極材料，韓國(guó)海事海洋大學(xué)（Korea Maritime and Ocean University）的Jun Kang博士和韓國(guó)釜山國(guó)立大學(xué)的同事設(shè)計(jì)出一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的負(fù)極，可以克服許多現(xiàn)有陽(yáng)極的效率問(wèn)題。Jun Kang博士表示：“我們一直專注于研究硒化錳（MnSe）。硒化錳是一種價(jià)格較低的過(guò)渡金屬化合物，因其具有高導(dǎo)電性，并適用于半導(dǎo)體和超級(jí)電容器的開(kāi)發(fā)而被大眾熟知。因此這種材料可能也適用于LIB陽(yáng)極。”然而，MnSe在充放電循環(huán)過(guò)程中會(huì)發(fā)生劇烈的體積變化（約160%），不僅會(huì)降低電極性能，還會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題。

 

為防止這種體積變化，研究人員開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)單且低成本的工藝：將MnSe納米顆粒均勻地注入三維多孔碳納米片基質(zhì)（three-dimensional porous carbon nanosheet matrix，3DCNM）中。在新開(kāi)發(fā)的、研究人員將其稱為“MnSe ⊂ 3DCNM”負(fù)極材料中，碳納米片支架可使錨定的MnSe納米顆粒具有眾多優(yōu)點(diǎn)，例如大量的活性位點(diǎn)、以及具有電解質(zhì)的強(qiáng)化的接觸面積，并可避免發(fā)生劇烈體積膨脹。

 

研究人員能夠合成多種MnSe ⊂ 3DCNM材料，其中MnSe ⊂ 3DCNM-1.92表現(xiàn)出最好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率能力。當(dāng)將其與全電池（full cell）中的鋰錳（III,IV） 氧化物（LiMn2O4，一種常用的正極材料）結(jié)合時(shí)，該團(tuán)隊(duì)觀察到MnSe ⊂ 3DCNM-1.92可以持續(xù)表現(xiàn)出卓越的電化學(xué)性能，包括優(yōu)異的鋰離子和電子傳輸動(dòng)力學(xué)。

 

該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)于此次成果的潛在影響力感到十分興奮。正說(shuō)Kang博士所說(shuō)：“通過(guò)使用有益的填料支架，我們開(kāi)發(fā)出的新陽(yáng)極可以提高電池性能的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)可逆能量存儲(chǔ)。這種策略還適用于其他具有較大表面積和高穩(wěn)定納米結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬硒化物，從而應(yīng)用于存儲(chǔ)系統(tǒng)、電催化和半導(dǎo)體中。”