加拿大滑鐵盧大學(xué)應(yīng)用納米材料與清潔能源實(shí)驗(yàn)室陳忠偉教授的科研團(tuán)隊(duì)協(xié)同WATTECHPOWERINC.(加拿大滑鐵盧大學(xué)科技公司)成功開(kāi)發(fā)了一種石墨烯硅基鋰離子電池技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)采用55%以上的硅材料作為負(fù)極活性材料，硫摻雜的石墨烯以及聚丙烯腈作為輔助，通過(guò)簡(jiǎn)單的高溫處理，實(shí)現(xiàn)電極微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑成型，其內(nèi)部各材料間的相互協(xié)同效應(yīng)解決了硅材料的體積膨脹，電導(dǎo)率低等問(wèn)題，所測(cè)試的電化學(xué)性能與目前商業(yè)化電池相比，比容量提高了6-7倍，循環(huán)壽命達(dá)到2200次以上。

日前，此項(xiàng)研究成果已經(jīng)在頂級(jí)科學(xué)期刊《自然通訊》上發(fā)表。在文中，對(duì)硅基電極微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑成型以及其內(nèi)部的協(xié)同效應(yīng)如何發(fā)揮作用，作了詳細(xì)地闡釋。

由硅納米顆粒、硫摻雜的石墨烯以及聚丙烯腈混合材料涂覆后的負(fù)極極片經(jīng)高溫處理后，硅會(huì)與周圍硫化石墨烯中的硫以共價(jià)鍵的相互作用被相對(duì)固定到一個(gè)位置，而聚丙烯腈將會(huì)進(jìn)行環(huán)化反應(yīng)形成一個(gè)含氮的穩(wěn)定六圓環(huán)結(jié)構(gòu)的石墨化碳。如此，通過(guò)熱處理，一個(gè)穩(wěn)定的原子尺度的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑成型；其中，一方面，硅通過(guò)共價(jià)作用被以石墨烯納米片層所組成的支架所保護(hù)，另一方面，石墨化的聚丙烯腈形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)硅穩(wěn)定的防護(hù)。

同時(shí)，由于有石墨烯和石墨化碳的存在，這種穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)體也顯示絕佳的導(dǎo)電性。以上結(jié)構(gòu)的形成，在論文中結(jié)合一系列的實(shí)驗(yàn)表征手段得到了詳細(xì)地論證，例如，用密度泛函計(jì)算了硅與硫化石墨烯的結(jié)合力；用x射線光電子能譜確認(rèn)了結(jié)構(gòu)體的元素分布和組成等。

正是由于這種電極微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑成型，使得電極在充放電過(guò)程中硅的體積膨脹能夠被固定到一定的空間范圍之內(nèi)，電極結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞，確保了電極能夠到達(dá)2000次的循環(huán)壽命；另外，此結(jié)構(gòu)體高的電子和鋰離子傳導(dǎo)性也保證了硅材料容量的正常發(fā)揮，即在0.1Ag-1電流循環(huán)100次，整體電極的平均容量達(dá)到2750mAh/g-1；在更高倍率2Ag-1循環(huán)2275次，容量依然能夠保持在1000mAh/g-1以上。

此項(xiàng)技術(shù)對(duì)電極使用了簡(jiǎn)單的熱處理，這一創(chuàng)新解決了長(zhǎng)久以來(lái)困擾鋰電材料領(lǐng)域的由于硅材料體積脹縮導(dǎo)致其無(wú)法應(yīng)用的全球性技術(shù)難題，因此此項(xiàng)技術(shù)一經(jīng)推出，便獲得2015年度RD100提名大獎(jiǎng)，獲得業(yè)界人士認(rèn)可，擁有高能量長(zhǎng)壽命的真正的硅基鋰離子電池指日可待。

可喜的是，這次重大的科學(xué)突破工藝操作上簡(jiǎn)單易行，而且在成本上，由于硅高比容量，是目前商業(yè)化石墨電極實(shí)際比容量的3-7倍，據(jù)此，相同容量的硅基鋰離子電池中硅的用量約是傳統(tǒng)鋰離子電池中石墨用量的1/7-1/3，而且隨著太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硅材料產(chǎn)能水平的提升，這使得整體硅基電池的成本與目前商業(yè)化鋰離子電池基本持平甚至還要低于。

根據(jù)現(xiàn)行研發(fā)進(jìn)度，此硅基鋰離子電池能夠滿足商業(yè)化的能量型鋰離子電池的需求，如消費(fèi)類電子產(chǎn)品手機(jī)筆記本以及可穿戴電子設(shè)備等。此類產(chǎn)品要求電池具有高的能量密度，和較穩(wěn)定的循環(huán)壽命。另外，根據(jù)目前測(cè)試，更高倍率的充放電，如2C，將不會(huì)對(duì)硅基材料以及整個(gè)電極的結(jié)構(gòu)造成破壞。這樣，此硅基鋰離子電池在要求高倍率充放電的領(lǐng)域(如電動(dòng)汽車，電動(dòng)工具等)的應(yīng)用也即將實(shí)現(xiàn)。

目前，陳忠偉教授與WATTECHPOWERINC.(滑鐵盧大學(xué)科技公司)共同攜手開(kāi)發(fā)此技術(shù)，即將進(jìn)入中試階段，據(jù)其保守估計(jì)，此硅基鋰離子電池將于2016年下半年進(jìn)入市場(chǎng)。

陳忠偉博士現(xiàn)為加拿大國(guó)家首席科學(xué)家，Waterloo大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院教授，納米技術(shù)研究生主任，納米應(yīng)用材料與新能源中心主任。2008年畢業(yè)于美國(guó)加州大學(xué)濱河分校化學(xué)與環(huán)境工程獲博士學(xué)位，并獲加州大學(xué)校長(zhǎng)博士論文獎(jiǎng)學(xué)金在美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從事燃料電池研究工作。現(xiàn)致力于固體高分子膜燃料電池、鋅-空電池，鋅-鋰液流電池和鋰離子電池的先進(jìn)納米電極材料的研究開(kāi)發(fā)，其研究領(lǐng)域包括非貴金屬催化劑、碳納米管、石墨烯、金屬納米管、納米線以及復(fù)合膜等。