自從上世紀(jì)90年代被大規(guī)模應(yīng)用以來，鋰離子電池的比容量沒有顯著提升，因此也越來越無法滿足智能手機(jī)要求的待機(jī)時間長、電動汽車要求的跑得更遠(yuǎn)、電網(wǎng)調(diào)峰要求的儲電量大。

這一困境的根本原因在于鋰電池的電極材料容量難以突破，比如，商用負(fù)極材料只能采用理論容量為372mAh/g的低比容量碳基材料。盡管研究表明，Si、Ge、Sn等單質(zhì)作為負(fù)極具有很高的比容量，但是受限于多次使用后的容量快速衰減而難以實際應(yīng)用。近年來，二氧化錫（SnO2）負(fù)極材料具有優(yōu)越的循環(huán)性能而受到極大關(guān)注，其理論容量（783mAh/g）已經(jīng)達(dá)到了石墨負(fù)極的兩倍。

資料圖

然而，現(xiàn)有SnO2和單質(zhì)負(fù)極材料都在鋰離子電池電化學(xué)過程中無法克服體積膨脹的應(yīng)用瓶頸，循環(huán)穩(wěn)定性難以滿足應(yīng)用需求。因此，如何開發(fā)新的高循環(huán)穩(wěn)定性/高容量的SnO2基鋰電負(fù)極材料具有重要意義。

近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院新能源材料與器件課題組與中國科學(xué)院硅酸鹽研究所、美國賓夕法尼亞大學(xué)以及北京工業(yè)大學(xué)等聯(lián)合研究，發(fā)明了一種基于獨創(chuàng)制備技術(shù)的黑色二氧化錫納米材料，該材料作為鋰電負(fù)極具有1340mAh/g的可逆容量，遠(yuǎn)優(yōu)于SnO2的理論容量極限（783mAh/g）。該材料與石墨烯復(fù)合后更顯示出極其優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，在0.2A/g電流密度下循環(huán)100圈之后容量不衰減，保持950mAh/g的容量；在2A/g的大電流下保持具有700mAh/g的容量。

Figure2.ElectronimagesandelectricalconductivityofSnO2,SnO2?x,andSnO2?x:RGO.

通過深入而細(xì)致的研究，研究者認(rèn)識到獨特的黑色二氧化錫新材料不同于現(xiàn)有的二氧化錫，具有優(yōu)異電子導(dǎo)電性和豐富氧空位的特征，誘導(dǎo)出納米活性材料的還原反應(yīng)具有各向同性，從而形成了一個熱力學(xué)高度穩(wěn)定的Sn和Li2O均勻分散的微觀復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，最終解決了循環(huán)過程中金屬Sn團(tuán)聚的科學(xué)難題。研究人員驚喜地發(fā)現(xiàn)，這個特殊的微觀復(fù)合納米結(jié)構(gòu)可以保證金屬錫在儲能電化學(xué)反應(yīng)中完全可逆氧化為二氧化錫（圖），這個現(xiàn)象和機(jī)理尚未見文獻(xiàn)報道。基于新的儲電機(jī)理，二氧化錫負(fù)極材料的理論容量從原來的783mAh/g提高到新機(jī)理的1494mAh/g。研究者發(fā)明的黑色二氧化錫為設(shè)計和合成其它新型電負(fù)極材料提供了一種新的思路，同時也極具高容量鋰電負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價值。

高導(dǎo)電黑色二氧化錫電極反應(yīng)示意圖、電池循環(huán)性能示意圖以及循環(huán)后二氧化錫顆粒元素分布圖

該研究成果以“ARobustandConductiveBlackTinOxideNanostructureMakesEfficientLithium-IonBatteriesPossible”為題發(fā)表于2017年4月21日的國際材料科學(xué)期刊AdvancedMaterials上（DOI:10.1002/adma.201700136），北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院研究生董武杰、王超以及中國科學(xué)院硅酸鹽研究所研究生徐吉健為共同第一作者，黃富強(qiáng)教授為通訊作者。該項目得到國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、國家自然科學(xué)基金委員會、上海市科學(xué)技術(shù)委員會和中國科學(xué)院主要研究項目的支持。