【化工仪器网 项目成果】锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，将锂离子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成负极，锂离子在正极和负极之间移动来产生能量。锂离子电池具有转换效率高、循环寿命长、能量密度高等优点。然而而以石墨为负极的锂离子电池难以满足移动设备、电动汽车和储能电网等对更高能量密度和功率密度的需求，故研发新型高性能锂离子电池体系尤为重要。负极材料是锂离子电池体系中的关键组成部分，直接关系到电池的能量和功率性能。因此，研发比石墨负极具有更高能量和功率密度的负极材料具有重要意义。
成本低廉的二氧化锡(SnO2)和四氧化三锰(Mn3O4)等过渡金属氧化物具有较高的理论比容量，是锂离子电池的理想负极材料之一。然而，这类材料的导电性差、在充放电过程中体积变化大，制约了在锂离子电池中的应用。此前，有研究通过纳米化以及与各种碳材料导电框架形成复合结构等措施，提高了过渡金属氧化物活性材料的导电性，并有效缓释了其体积膨胀。而在此过程使用了大量的导电剂、粘结剂、集流体等非活性组分，导致电极材料出现比能量密度低、离子传输通道受阻和功率密度低等问题。因此，设计构筑“一体化”集成的碳框架活性材料载体，对提升电极容量、倍率性能和稳定性等具有重要的理论意义和实际应用价值。
近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员孟国文和韩方明团队，在高性能锂离子电池负极材料研究中取得了新进展。此前，该团队创制了纵-横互连三维碳管网格膜，并以该网格膜作为对称型双电层电化学电容器的电极，构筑了小型化高性能滤波电容器。以此为基础，该团队以这种三维互连碳管网格膜作为骨架，构建了结构稳定、导电性好和锂离子迁移畅通的一体化自支撑锂离子电池负极，并剖析了其机理。
该研究以团队创制的三维互连碳管网格膜(3D-CT)为骨架，巧妙地将湿化学法与化学气相沉积法结合，在三维互连碳管网格膜的碳管内壁/腔内负载了存储锂离子的活性材料Mn3O4纳米颗粒和直径更小的碳纳米管CNTs。这种一体化电极具有如下优势：三维互连碳管网格膜可作为活性物质的良好导电基体，可缓释嵌锂过程中Mn3O4纳米颗粒的体积膨胀，且一体化结构和笔直孔道可促进锂离子和电子的快速输运；腔内填充的小直径碳纳米管CNTs可缓释Mn3O4纳米颗粒的体积膨胀、阻止其团聚，并可提升电极的导电性和结构稳定性。研究表明：新型锂离子电池负极具有优异的循环和倍率性能，在1 A/g的电流密度下经过300次充-放电循环，可逆比容量达到865 mAh/g；即使在4 A/g的高电流密度下，这一电池仍具有418 mAh/g的高可逆比容量。
该工作为高性能锂离子电池负极的制备开辟了新途径，具有重要的理论意义和实际应用价值。研究工作得到国家自然科学基金和院合肥研究院院长基金的支持。
相关研究成果分别以3D Grid of Carbon Tubes with Mn3O4-NPs/CNTs Filled in their Inner Cavity as Ultrahigh-Rate and Stable Lithium Anode和Enhancing electrochemical energy storage capacity and rate performance of the anode with a 3D interconnected carbon tube-NiO-SnO2 composite scaffold为题，发表在Energy & Environmental Materials和Science China Materials上。
资料来源：中国科学院合肥物质科学研究院
