化石燃料的集中消耗,加剧了能源日益短缺的现象,同时也触发了全球气候变暖的警报。开发可循环利用的高效能源成为了人类社会可持续发展的当务之急和根本策略。太阳能、地热能、风能和潮汐能等,时间、空间上不连续,且需要配备高效的储存和运输系统,这使得以能量储存与转化为依托的新能源技术成了世界范围内的重要研究议题。化学电源是一种方便、可靠的清洁能源,能高效地实现电能与化学能之间的相互转变,成为了储能领域的一个重要方向。而在众多化学电源中,锂离子二次电池较之铅酸、镍氢、镍镉等电池体系,具有开路电压高、能量密度高、循环寿命长、环境友好、结构紧凑等显著特点而倍受瞩目。锂离子电池的商业化推动了便携式电子市场的快速成长,而新型应用领域的开拓对锂离子电池的核心部件,如:正负极电极材料,提出了更高的要求以实现高能量密度和功率密度。以商业化的碳负极材料为例,其实际放电比容量由最初的200 mAh g-1 增加至当下的350 mAh g-1,已非常接近372 mAh g-1的理论比容量。显然,开发高比容量、高比功率的正负极材料将是未来一段时间内世界各国科研人员共同努力的方向。目前,高容量正极材料V2O5引起了广泛地关注,但其块体材料的电化学活性低,导致其高比容量难以有效发挥,并往往表现出较差的循环稳定性。反之,高容量负极材料的研究主要集中在锡基、非金属硅等方面,而其面临的最大挑战是巨大的体积效应造成的短的循环寿命。针对上述问题,天津师范大学李喜飞教授课题组开发了一种可用于实现石墨烯对各类电极材料包覆的通用技术,该方法提供了一种用于构造具有优异性能的石墨烯基电极材料的可靠捷径(申请中国专利:一种通用的反应体系用于实现石墨烯对材料的保型封装,申请日:2015年11月25日;获批中国专利:一种锂离子电池正极材料用功能化石墨烯的制备方法(授权日:2016年8月17日,专利号:ZL 2014 1 0287323.3))。石墨烯具有大的比表面积和极佳的舒展性,若用石墨烯对电极材料进行封装包覆,能有效地抑制颗粒的体积膨胀和团聚现象,同时能增强材料的电子电导率。除此之外,石墨烯的封装包覆可有效地提高复合材料的循环寿命。
目前,我们的研究团队对石墨烯封装包覆工作做了一系列研究工作,并取得了可喜的成果:(1)我们成功地将褶皱状还原氧化石墨烯包覆在三维中空的V2O5纳米微球表面,石墨烯的封装有效防止了活性物质的溶解和体积膨胀,并能维持其电接触,使复合材料表现出优异的倍率性能和循环稳定性。该合成方法高效、便捷,且成本低廉对环境无污染。当复合材料用作锂离子电池正极时,在0.1 A g-1电流密度下能保持289 mAh g-1的可逆容量,而5 A g-1电流密度下的可逆容量高达163 mAh g-1,且具有优异的循环稳定性。重要的是,将该合成工艺拓展,用于对CuO立方体、SnO2纳米管和Zn2SnO4纳米盒进行封装包覆,均取得了满意的效果(Nano Energy 2016, 24, 32);(2)与国联汽车动力电池研究院合作,开发了独特的碳包覆三元材料,有效提高了该正极材料的倍率容量和循环稳定性。此项技术已在中试;(3)与天津斯特兰能源科技有限公司合作,开发了碳包覆磷酸铁锂正极材料,该技术与常见的碳包覆不同,改性效果更加明显,目前国内外暂无相关报道。该自主创新技术,预计为天津斯特兰能源科技有限公司带来直接经济效益;(4)与天津市捷威动力工业有限公司合作,开发的碳包覆硅负极材料显示出较高的循环稳定性,公司将投入资金开展碳包覆硅负极材料的产业化。
在能源短缺、环境污染日趋严重的当下,寻求可再生能源已成为人类紧迫的任务。清洁环保的新型交通工具---电动汽车就是在这样的大背景下应运而生,它对于改善人类赖以生存的环境,缓解日益枯竭的能源供应现状具有重大的经济和战略意义。近年来石油价格的飙升,世界发达国家对电动汽车的开发如火如荼,产业化成果推陈出新。较之能源效率仅有17%的内燃引擎车,插电式电动车65%的能源效率明显更为出色,这也促使美国投入24亿美元巨资来推动新能源电动车的发展。而锂离子电池作为下一代混合电动车电池的推进器,其应用前景不言而喻。除此之外,锂离子动力电池还可以使用在便携式设备、卫星、电网储能、纯电动汽车等领域,市场广阔、前景诱人。目前锂离子动力电池最火热的应用是纯电动汽车。当前许多世界著名汽车厂商都致力于开发纯电动汽车,且绝大部分采用的都是锂离子动力电池。而作为汽车的动力来源,锂离子动力电池在大规模使用中仍存在一定的问题,包括昂贵的价格和安全性问题。同时,还需要解决快速充电、循环性能和废旧电池回收等问题。我们团队开发的石墨烯精密封装电极材料的工作有望推动长寿命、高安全的锂离子电池电极材料的发展与应用。
目标行业:
遵循产学研的思路模式,我们团队力求把一些研究成果转化为实际应用。与国内前沿的动力电池公司开展了一系列的合作,如国联汽车动力电池研究院、天津斯特兰能源科技有限公司、天津市捷威动力工业有限公司等电池领域的科研院所及公司,目前已取得了优异的成果。