手機(jī)、筆記本電腦等電子消費(fèi)品如何更輕更薄，電動(dòng)汽車如何在有限的車體空間內(nèi)擁有更長(zhǎng)續(xù)航里程的電量……隨著人們對(duì)儲(chǔ)能需求的日趨旺盛，對(duì)二次電池的性能也提出了越來(lái)越高的要求。納米技術(shù)可以使電池“更輕”、“更快”，但由于納米材料較低的密度，“更小”成為橫亙?cè)趦?chǔ)能領(lǐng)域科研工作者面前的一道難題。

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者、天津大學(xué)化工學(xué)院楊全紅教授研究團(tuán)隊(duì)提出“硫模板法”，通過對(duì)高體積能量密度鋰離子電池負(fù)極材料的設(shè)計(jì)，最終完成石墨烯對(duì)活性顆粒包裹的“量體裁衣”，使鋰離子電池變得“更小”成為可能。該成果1月26日在線發(fā)表在《Nature Communications》(2018, 9, 402)上。

作為當(dāng)下使用最廣泛的二次電池，鋰離子電池具有很高的能量密度。錫、硅等非碳材料有望取代目前商用石墨作為新一代負(fù)極材料，大幅提高鋰離子電池的質(zhì)量能量密度(Wh kg-1)，但其巨大的體積膨脹嚴(yán)重限制了其體積性能優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。碳納米材料構(gòu)建的碳籠結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是解決非碳負(fù)極材料嵌鋰時(shí)巨大體積膨脹問題的主要手段;但在碳緩沖網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過程中，常常引入過多的預(yù)留空間，導(dǎo)致電極材料的密度大幅降低，限制了鋰離子電池負(fù)極體積性能的發(fā)揮。因此對(duì)碳籠結(jié)構(gòu)的精確定制，不僅是重要的學(xué)術(shù)難題，也是新型高性能負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化的必由之路。

楊全紅教授研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)、國(guó)家納米中心和日本國(guó)立材料研究所的合作者在高體積能量密度鋰離子電池負(fù)極材料設(shè)計(jì)方面取得突破，基于石墨烯界面組裝，發(fā)明了對(duì)致密多孔碳籠精確定制的硫模板技術(shù)。他們?cè)诓捎妹?xì)蒸發(fā)技術(shù)構(gòu)建致密石墨烯網(wǎng)絡(luò)的過程中，引入硫作為一種可流動(dòng)的體積模板，為非碳活性顆粒完成了石墨烯碳外衣的定制。通過調(diào)制硫模板使用量，可以精確調(diào)控三維石墨烯碳籠結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)非碳活性顆粒大小“合身”的包覆，從而在有效緩沖非碳活性顆粒嵌鋰巨大體積膨脹的基礎(chǔ)上，作為鋰離子電池負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的體積性能。

圖 硫模板法精確設(shè)計(jì)石墨烯碳籠結(jié)構(gòu)

硫模板法的提出，是在三維石墨烯致密網(wǎng)絡(luò)中，巧妙利用硫如同“變形金剛”一樣的流動(dòng)性、無(wú)定形，以及易去除等特點(diǎn)，在碳籠結(jié)構(gòu)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)非碳活性顆粒如二氧化錫納米顆粒的緊密包覆。與傳統(tǒng)的“形狀”模板相比，硫模板的最大優(yōu)勢(shì)就是能發(fā)揮可塑型的體積模板作用，使緊致的石墨烯籠結(jié)構(gòu)能夠提供適形且尺寸精確可控的預(yù)留空間，最終完成針對(duì)活性二氧化錫的“量體裁衣”。這種具有合適預(yù)留空間且保持高密度的碳-非碳復(fù)合電極材料能貢獻(xiàn)出極高的體積比容量，從而大幅度提高鋰離子電池的體積能量密度，使鋰離子電池變得更小。這種 “量體裁衣”的設(shè)計(jì)思想可以拓展為普適化的下一代高能鋰離子電池和鋰硫電池、鋰空氣電池等電極材料的構(gòu)建策略。

楊全紅教授研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在強(qiáng)調(diào)器件體積性能的致密儲(chǔ)能領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展，發(fā)明了石墨烯凝膠的毛細(xì)蒸發(fā)致密化策略，解決了碳材料高密度和孔隙率“魚和熊掌不可兼得”的瓶頸問題，得到高密度的多孔碳材料;追求儲(chǔ)能器件的小體積、高容量，從策略、方法、材料、電極、器件等五個(gè)方面提出了高體積能量密度儲(chǔ)能器件的設(shè)計(jì)原則，最終從超級(jí)電容器、鈉離子電容器、鋰硫電池、鋰空氣電池到鋰離子電池實(shí)現(xiàn)了高體積容量?jī)?chǔ)能材料、電極、器件的構(gòu)建，為碳納米材料的實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)，有力推進(jìn)了基于碳納米材料新型電化學(xué)儲(chǔ)能器件的實(shí)用化進(jìn)程。