Adv. Mater.: 具有二維納米流體通道的高倍率性能的鋰離子電池材料

【引言】

近年來，鋰離子電池由于具有能量密度高，循環壽命長且對環境友好等特點，已經逐漸成為便攜式電子設備的主流電源，并且被認為是可以應用于電動汽車以及混合電動汽車的驅動裝置中最有前景的電源。此外，鋰離子電池可以將太陽能、風能等綠色能源儲存與轉換，以緩解上述綠色能源的間斷性與不穩定性，實現能量的供需平衡。目前，諸多領域對于鋰離子電池的需求量日益增大，對能量密度和快速充放電能力提出了更高的要求。然而，傳統電極材料的容量以及快速充放電能力已經達到瓶頸。因此，研發高倍率性能的電極材料以滿足有效且快速的能量存儲與輸出迫在眉睫。

針對這些問題，近日，德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華教授課題組與哈爾濱工業大學陳剛教授合作提出將二維納米流體（2D Nanofluidic）結構引入氧化鈷負極材料來提高材料的倍率性能。該團隊通過簡單的溶膠凝膠法制備了陰離子基團表面修飾的納米片，這些修飾的基團促使納米片組裝成能夠自支撐的層層堆疊結構。納米片層的間距稍小于鋰離子德拜長度的二倍，可以為鋰離子的傳輸提供二維流體通道。通道內壁的負電基團會選擇性吸引鋰離子，排斥負電離子，加速鋰離子的傳輸。通過電化學測試發現，流體通道納米片的離子電導率比塊體材料增大幾個數量級，電池的倍率性能得到大幅度地提高。

該研究工作為有效提高電極材料倍率性能指明新方向，同時為構建高功率、高穩定性的鋰離子電池提供了新的探索思路。這一成果近期發表在《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2017, 29, 1703909）并被選為Front Cover。

參考文獻：C.Yan, C. Lv, Y. Zhu, G. Chen, J. Sun, G. Yu, “Engineering Two-dimensional Nanofluidic Li-Ion Transport Channels for Superior Electrochemical Energy Storage”, Adv. Mater. 2017, 29, 1703909.

【課題組介紹】

余桂華教授課題組專注于從結構的角度來設計二維鋰離子電池電極材料，綜合化學、材料科學和能源科學的跨學科研究，包括通過化學合成對活性物質的物理、化學性能進行優化，結合原子水平的電化學反應機理和反應動力學研究，輔以原位表征和高性能理論計算模擬，發展了一系列新型二維的電極材料。在該領域取得了一系列的前沿研究成果，相關工作發表在Science, Nature Communications, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials等著名科技期刊上。戳我查看詳細介紹。

本文由余桂華教授課題組提供。

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