合肥研究院在鋰離子電池納米電極研究取得系列成果

　　中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院智能機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器件電化學性能方面取得系列成果，研制了高體積容量的三維納米復合電極，提出并論證了新的電極容量衰減機理，復合結構提高了鋰離子電池的電化學性能等。研究成果發(fā)表在相關領域國際期刊Advanced Materials、ACS Nano、Small等。

　　作為一種重要能量存儲器件，鋰離子電池因其高能量轉化效率、低自放電率、寬工作溫度范圍、無記憶效應等優(yōu)點，目前在可充電電池領域占主導地位，針對鋰離子電池電極及其電化學特性的研究也一直是世界各國極為重視的重要領域。隨著當今電子科技發(fā)展對容量高、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（比如電動汽車、無人機等），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特性具有重要意義。

　　納米電極具有活性高、離子擴散和電子傳輸路徑短等特點。研究人員從最本質(zhì)的納米電極容量衰減原理入手，探索導致容量衰減的根本原因，進而針對性地設計高容量循環(huán)穩(wěn)定的納米電極，以及發(fā)展相應的普適性納米電極制備技術。例如，設計的硅/碳三維納米管陣列電極，電化學活性材料硅的內(nèi)外表面均被碳包裹保護（見圖1），可以有效減小充放電循環(huán)過程中固體電解質(zhì)界面層對電化學穩(wěn)定性的影響。通過原位掃描電鏡技術，清晰觀測了復合納米管在嵌鋰/脫鋰過程中的體積與結構動態(tài)變化（見圖2）。進一步建立理論模型，提出并論證了一種電極納米結構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構電極制備技術，研制出一種無框架結構三維納米復合電極并研究其能量存儲應用性能（見圖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），遠遠大于目前商用石墨電極的體積容量（～550 mAh cm-3），為發(fā)展應用于可穿戴電子設備的微型電池打下了電極材料基礎。研究成果基于中科院合肥研究院智能所與美國伊利諾伊大學香檳分校的合作平臺。隨著研究的深入，高性能納米結構電極的研制及其在鋰離子電池中的電化學特性研究有望取得進一步突破。