中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所研究員劉錦淮、黃行九課題組的劉金云等在研制納米電極及其在能源存儲(chǔ)器件電化學(xué)性能方面取得系列成果，研制了高體積容量的三維納米復(fù)合電極，提出并論證了新的電極容量衰減機(jī)理，復(fù)合結(jié)構(gòu)提高了鋰離子電池的電化學(xué)性能等。研究成果發(fā)表在相關(guān)領(lǐng)域國(guó)際期刊Advanced Materials、ACS Nano、Small等。
作為一種重要能量存儲(chǔ)器件，鋰離子電池因其高能量轉(zhuǎn)化效率、低自放電率、寬工作溫度范圍、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，目前在可充電電池領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，針對(duì)鋰離子電池電極及其電化學(xué)特性的研究也一直是世界各國(guó)極為重視的重要領(lǐng)域。隨著當(dāng)今電子科技發(fā)展對(duì)容量高、循環(huán)穩(wěn)定、重量輕、體積小的高性能鋰離子電池需求越發(fā)迫切（比如電動(dòng)汽車、無(wú)人機(jī)等），發(fā)展高容量（包括質(zhì)量容量和體積容量）電極并深入研究其電化學(xué)特性具有重要意義。
納米電極具有活性高、離子擴(kuò)散和電子傳輸路徑短等特點(diǎn)。研究人員從最本質(zhì)的納米電極容量衰減原理入手，探索導(dǎo)致容量衰減的根本原因，進(jìn)而針對(duì)性地設(shè)計(jì)高容量循環(huán)穩(wěn)定的納米電極，以及發(fā)展相應(yīng)的普適性納米電極制備技術(shù)。例如，設(shè)計(jì)的硅/碳三維納米管陣列電極，電化學(xué)活性材料硅的內(nèi)外表面均被碳包裹保護(hù)（見(jiàn)圖1），可以有效減小充放電循環(huán)過(guò)程中固體電解質(zhì)界面層對(duì)電化學(xué)穩(wěn)定性的影響。通過(guò)原位掃描電鏡技術(shù)，清晰觀測(cè)了復(fù)合納米管在嵌鋰/脫鋰過(guò)程中的體積與結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化（見(jiàn)圖2）。進(jìn)一步建立理論模型，提出并論證了一種電極納米結(jié)構(gòu)疲勞引起容量衰減的新原理。
此外，基于普適性的三維納米結(jié)構(gòu)電極制備技術(shù)，研制出一種無(wú)框架結(jié)構(gòu)三維納米復(fù)合電極并研究其能量存儲(chǔ)應(yīng)用性能（見(jiàn)圖3），發(fā)現(xiàn)充放電循環(huán)200次后，仍然具有高的全電極體積容量（～1000 
mAh cm-3），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前商用石墨電極的體積容量（～550 mAh cm-3），為發(fā)展應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備的微型電池打下了電極材料基礎(chǔ)。研究成果基于中科院合肥研究院智能所與美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校的合作平臺(tái)。隨著研究的深入，高性能納米結(jié)構(gòu)電極的研制及其在鋰離子電池中的電化學(xué)特性研究有望取得進(jìn)一步突破。
圖1C@Si@C三維納米管陣列電極示意圖;充放電循環(huán)容量與庫(kù)倫效率;鋰化過(guò)程最大主應(yīng)力分布的建模分析圖
圖2 (a)C@Si@C納米管SEM圖; (b)充電(嵌鋰)和(c)放電(脫鋰)后的In-situ SEM圖
圖3 (a)Small封面文章; (b)三維結(jié)構(gòu)SiO2和(c) SiO2@Fe3O4/C電極SEM俯視圖; Fe3O4/C復(fù)合納米電極SEM(d)俯視圖和(e)截面圖; (f) TEM照片
