隨著可充電（二次）電池在能源領域的廣泛應用，具有更高能量密度，更大功率密度的可充電電池體系成為研究人員追逐的研究熱點。近年來，隨著二次電池鋰離子電池、鉀離子電池、鎂離子電池以及鋁離子電池等的發(fā)展，開發(fā)匹配以上二次電池高性能的電極材料成為能否實現(xiàn)新型高性能儲能與能量轉換等目標的關鍵。

 

    近年來，寧波材料所所屬新能源技術所韓偉強研究員、田華軍博士領導的先進鋰電池團隊，在包括高能量密度鋰離子電池和鎂離子電池等方面取得系列進展。在高性能鋰離子電池硅基負極材料方面，開發(fā)了系列微米級多孔硅及硅碳復合負極材料。研究團隊開發(fā)的多孔硅負極材料首次庫倫效率達到88.1%，循環(huán)100次容量保持率超過99.0%。相關研究已申請中國發(fā)明專利（201510468107.3，201610016711.7）。系列硅基負極材料的研究結果相繼發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（2015, 3, 17956-17962）和Nano Energy（2015, 11, 490–499）上。
 

圖1 微米級多孔硅負極材料的形貌圖



圖2 微米級多孔硅的首次充放電曲線
 

    與硅同主族的元素鍺，在室溫下導電率更高（是硅的104倍），同時鍺的理論比容量高達1600mAh/g。研究團隊利用工業(yè)化噴霧干燥的方法成功制備了高倍率性能的鍺基負極材料。該鍺基負極材料即使在5A/g的電流密度下，放電比容量還能保持在550 mAh/g。該方法中，利用噴霧造球形成穩(wěn)固的GeOx/CNTs三維網絡結構，起到了很好的電子傳輸作用，大大降低了電池電極的接觸電阻，減小了電池的極化，實現(xiàn)了電池的高倍率充放電特性。相關工作發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（2015,3, 19393-19401）上?；趫F隊在鋰離子電池高容量負極方面的系列進展，團隊研究工作已被邀請寫成綜述，發(fā)表在Journal of Materiomics（2015,1(3), 153–169）雜志。
 

圖3 GeOx/CNTs形貌圖



 圖4 GeOx/CNTs電極在不同負載量下的循環(huán)性能曲線

    鎂離子電池由于其較高的安全性，環(huán)境友好以及鎂自身較高的體積比容量（3833 mAh/cm-3）等特點，越來越受到研究人員的關注。但是，鎂離子電池面臨著諸多問題，包括：（1）如何開發(fā)能夠實現(xiàn)可逆鎂離子沉積與溶解的電解質體系，克服大多數(shù)溶液中鎂表面容易形成鈍化膜阻礙鎂離子傳輸?shù)膯栴}。（2）鎂離子電荷密度大，極化作用強，如何找到能夠有效嵌入鎂離子的具有優(yōu)異性能的正極材料等。基于以上的系列問題， 近期，研究團隊中的田華軍博士與浙江大學、美國馬里蘭大學合作，在高能量密度鎂離子電池方面取得原創(chuàng)性研究成果。相關工作被Nature Communications雜志接收（2016, DOI: 10.1038/ncomms14083）。該研究工作開發(fā)了一種碘基正極材料，其具有較高的工作電壓（2.0 V），較高的比容量（～200 mAh/g）以及較好的循環(huán)性能（> 120次循環(huán)充放電）。同時，該工作優(yōu)化了鎂基電解質體系，實現(xiàn)了可逆的鎂離子沉積和溶解，其庫倫效率接近100%。該工作深入地研究了該鎂離子電池體系的反應機理，并利用其特有的儲鎂機理，克服了由于鎂離子電荷密度大，嵌入正極材料困難的缺點，為開發(fā)新型鎂離子電池提供了新的方法和思路。
 

圖 5 基于碘基正極材料的鎂離子電池電化學性能