中國儲能網(wǎng)訊：電動車將成為未來主要的綠色交通工具，急需開發(fā)新型高容量、高穩(wěn)定和高安全的鋰電池?？茖W家們也在不斷嘗試各種方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方法，尤其對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(yōu)點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(wěn)定性的主要因素；納米化帶來的振實密度和能量密度的降低更是工業(yè)生產(chǎn)中不容忽視的問題。
（A）40nm LiFePO4普通包碳和超容量包碳的充放電曲線圖；（B）83nm LiFePO4普通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代表普通包碳方法，E代表超容量包碳方法）
為了發(fā)揚納米化的優(yōu)點并克服納米化的缺點，經(jīng)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重要突破。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，而且產(chǎn)生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平均粒徑為42nm時材料容量能夠達到了207mAh g-1，超過其理論容量（170mAh g-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(wěn)定性，在10℃下循環(huán)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，紅點為實驗值）；（B-D）磷酸錳鐵鋰、磷酸錳鋰和磷酸鈷鋰普通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實驗結合，揭示了納米超容量儲能的機理，該發(fā)現(xiàn)對開發(fā)新型的納米儲能材料有著重要的意義，人們可以通過設計配位基團重構界面殼層，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)超容量儲能，同時還可以提高納米材料應用的穩(wěn)定性。該工作發(fā)表在近期的國際材料領域頂級期刊Nano Letters（DOI：10.1021/acs.nanolett.7b02315，影響因子為12.7，自然發(fā)表指數(shù)雜志之一）上。該工作在潘鋒教授指導下，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。該工作的主要合作者還有美國阿貢國家實驗室Khalil Amine教授和Yang Ren教授、伯克利國家實驗室的Lin-Wang Wang和Wanli Yang教授、西北太平洋國家實驗室Chong-Min Wang教授。該項工作得到了國家新能源汽車（動力電池）技術創(chuàng)新項目、廣東省引進科技創(chuàng)新團隊項目、廣東省自然科學基金、深圳市科技創(chuàng)新委基金、美國能源部以及深圳國家超算中心的支持。
