開發(fā)高性能電極材料是儲能電池研究的核心科學(xué)問題之一。近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所仿生能源系統(tǒng)團隊負責(zé)人、中科院“百人計劃”入選者崔光磊研究員等在儲能電池電極材料研究方面取得一系列重要進展。
一般來講，儲能電池（以鋰離子電池為例）有3個主要的動力學(xué)過程：鋰離子在電解液中的傳輸過程；鋰離子在電解液與電極表面的躍遷過程；鋰離子在電極材料中的化學(xué)擴散過程（圖1）。其中，第三個過程是決定性步驟。另外，這個過程還要符合擴散方程的限制，鋰離子在固體電極材料中的擴散時間（τ）與擴散長度（L）的平方成正比，即：τ=L2/2D（D為鋰離子的擴散系數(shù)）。當(dāng)電極材料尺寸變小時，由于擴散路徑縮短，鋰離子在電極材料中的擴散時間減少，使得電極材料的倍率性能得以提高。
崔光磊團隊以納米結(jié)構(gòu)的混合傳輸（電子和離子）電極材料為設(shè)計核心，兼顧構(gòu)筑快速有效的傳輸網(wǎng)絡(luò)和有利的界面，研究開發(fā)了高性能儲能電池電極材料和電池新技術(shù)（圖2）?；诘仯═iN）具有良好的導(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性和較好的經(jīng)濟性，設(shè)計了新型納米結(jié)構(gòu)的TiN/MnO2材料（Energy Environ. Sci., 2011, 4 (9), 3502 – 3508）、介孔TiN納米球（ACS applied material interf. 2011, 3, 93-98）以及同軸的TiN-VN材料（ACS applied material interf. 2011, DOI:10.1021/am200564b）用作高能電容器的電極材料。研究結(jié)果表明，上述復(fù)合材料能表現(xiàn)出較好的混合導(dǎo)電性并發(fā)揮較高的容量，可兼顧材料的能量和功率密度。其中，介孔TiN納米球在較高的功率密度下，仍可保持45.0 Wh kg?1的能量密度。
鋰空氣二次電池理論上具有很高的能量密度（大于鋰離子電池的十倍）。為滿足動力電池對鋰電池能量密度的需求，該團隊利用氮攙雜石墨烯/MoN復(fù)合物構(gòu)筑了新型的空氣極材料，該材料具有優(yōu)異的催化活性，大大減少放電極化，提高能量的利用率（Chem. Com. 2011, DOI:10.1039/C1CC14427H）。同時，利用生物酶和TiN的導(dǎo)電陣列，構(gòu)筑結(jié)構(gòu)仿生的生物空電池（Biosensors and Bioelectronics 26 (2011) 4088–4094）。
崔光磊團隊同時還與德國馬普協(xié)會固態(tài)所、金屬所和膠體所的Joachim Maier教授、Antonietti Markus教授等合作，在材料儲鋰機理上展開深入的基礎(chǔ)研究，采用氮化碳模板法設(shè)計出一種新型的Ti-V-N/C納米復(fù)合材料，內(nèi)部構(gòu)筑多相界面。該種材料表現(xiàn)出很好的界面儲鋰的性質(zhì)，在大電流下，該材料也表現(xiàn)出較好的倍率性能（ChemPhysChem 2010, 11, 3219–3223）。
該團隊與中科院物理所陳立泉院士、谷林教授等合作，研究氮攙雜對石墨烯的結(jié)構(gòu)與儲鋰物性的構(gòu)效關(guān)系以及相應(yīng)的界面動力學(xué)行為，結(jié)果表明氮攙雜為石墨烯片層提供了更多的鋰活性位點，且氮攙雜可以大大減少界面阻抗（J. Mater. Chem., 2011, 21, 5430-5434），后期深入工作發(fā)現(xiàn)界面上產(chǎn)生了Li3N (快離子導(dǎo)體)及其衍生物是大大減少界面阻抗，形成有利的SEI界面的主要原因；在研究氮攙雜石墨烯/VN復(fù)合物過程中，利用EELS、外場的XRD和高分辨電鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)復(fù)合物（VN活性低）需不斷活化后跟鋰反應(yīng)，導(dǎo)致容量的不斷提高（J. Mater. Chem., 2011, DOI: 10.1039/c1jm11710f），并基于上述機理開發(fā)了高功率鋰離子電池電容器的電極材料（中國發(fā)明專利ZL201010104003.1）。
相關(guān)研究得到了科技部重大研究計劃(973) 、國家自然科學(xué)基金、中科院“百人計劃”、山東省杰出青年基金等項目的支持。
