美國國家科學(xué)院院刊PNAS最近刊發(fā)了北京大學(xué)工學(xué)院材料與科學(xué)工程系、北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心孫強(qiáng)教授研究組的研究論文“AllCarbonBasedPorousTopologicalSemimetalforLi-ionBatteryAnodeMaterial”，報(bào)道了他們?cè)?a href="http://m.newssweekly.com" style="color:#a98326">鋰離子電池負(fù)極材料研究領(lǐng)域的最新成果。

鋰離子電池因其較高的功率密度以及成熟的商業(yè)化應(yīng)用在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜匾慕巧５S著科技的發(fā)展，特別是電動(dòng)汽車領(lǐng)域的興起，現(xiàn)有的鋰離子電池越來越難以滿足人們對(duì)能源存儲(chǔ)的要求。鋰離子電池主要由正極、負(fù)極和電解液三部分構(gòu)成，負(fù)極材料作為電池儲(chǔ)鋰的主要部分是提高鋰離子電池整體性能的關(guān)鍵之一，因此也一直是人們研究的熱點(diǎn)。石墨碳材料因有較好的穩(wěn)定性和低的成本是現(xiàn)有商業(yè)鋰離子電池廣泛采用的負(fù)極材料，但其實(shí)際容量只有290～360mAh/g。雖然這個(gè)容量可以基本滿足現(xiàn)有電子產(chǎn)品對(duì)電池性能的要求，但對(duì)于對(duì)電池能量密度、倍率性、安全性有更高要求的電動(dòng)汽車領(lǐng)域，其容量和倍率性能還有很大差距。另一方面，石墨碳材料的容量已經(jīng)接近理論容量極限372mAh/g，要進(jìn)一步提高電池的容量，必須尋找全新的鋰離子電池負(fù)極材料體系。多孔碳因具有大的比表面積和多的鋰離子吸附位點(diǎn)一直是人們尋找高比容量負(fù)極材料的熱點(diǎn)，但多孔碳儲(chǔ)鋰也有其固有的缺點(diǎn)：（1）多孔化會(huì)在材料中形成大量無序的缺陷，降低材料的導(dǎo)電性，進(jìn)而影響電池的倍率性能。（2）鋰離子在孔洞與電解質(zhì)的界面處發(fā)生大量不可逆反應(yīng)，造成不可逆的容量損失，導(dǎo)致低的庫倫效率，一般的多孔碳材料的庫倫效率都低于50%。對(duì)于全電池來說，其正極可以攜帶的鋰離子總量是一定的，大的不可逆容量損失是一個(gè)致命的缺點(diǎn)。（3）常規(guī)的多孔碳中無序的孔洞不利于離子的擴(kuò)散和電池倍率性能的提高。為了解決上述問題，理想的情況是找到一種三維的碳材料，其既具有有序的納米通道又具有高的導(dǎo)電性，而拓?fù)浒虢饘偬疾牧蠟榇颂峁┝丝赡苄浴?/p>

拓?fù)潆娮訉W(xué)是近年來物理學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，2016年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也授予了在此方向上作出開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的三位物理學(xué)家。拓?fù)浒虢饘俨牧显谫M(fèi)米面處具有線性的能帶色散關(guān)系，電子的有效質(zhì)量為零，具有極高的電子遷移率。而且這種線性的能帶色散關(guān)系是由材料的整體結(jié)構(gòu)決定的，是受對(duì)稱性保護(hù)的。這就為尋找具有高的導(dǎo)電性的三維多孔碳負(fù)極材料提供了可能性。基于此，孫強(qiáng)課題組對(duì)最近被理論所預(yù)言的三維拓?fù)浒虢饘偬糱co-C16作為鋰離子電池負(fù)極材料的可能性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。基于第一性原理的計(jì)算表明，鋰離子可以在bco-C16中可逆的脫嵌，其理論比容量為558mAh/g（Li-C4），遠(yuǎn)高于商業(yè)化的石墨負(fù)極材料（Li-C6）。由于bco-C16具有一維的納米通道，鋰離子的擴(kuò)散呈現(xiàn)明顯的一維特征，隨著鋰離子的嵌入，其擴(kuò)散能壘由0.53eV降低至0.019eV，而且這種一維的鋰離子擴(kuò)散特征在很大的拉伸和壓縮形變下仍會(huì)保持。計(jì)算的平均開路電壓為0.23V，脫嵌鋰的過程中bco-C16體積變化與石墨相當(dāng)。上述結(jié)果表明，拓?fù)浒虢饘俚亩嗫滋糱co-C16負(fù)極與石墨碳相比具有更高的比容量、高的倍率性能、低的電極電位和很好的循環(huán)穩(wěn)定性，因而具有很好的應(yīng)用前景。

拓?fù)潆娮討B(tài)和鋰離子電池是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)研究的兩大熱點(diǎn)。該研究用拓?fù)浒虢饘俚奶疾牧献?a href="http://m.newssweekly.com" style="color:#a98326">鋰電池的負(fù)極很自然地在這兩個(gè)領(lǐng)域之間架起了橋梁，這不僅為設(shè)計(jì)高性能的鋰離子電池指出了新的方向，而且更拓寬了拓?fù)潆娮討B(tài)研究的應(yīng)用領(lǐng)域。

該論文的第一和第二作者分別是博士研究生劉俊義和汪碩，通訊作者為孫強(qiáng)教授。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新能源汽車”專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目的資助。