近年来，锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长且对环境友好等特点，逐渐成为便携式电子设备的主流电源，并且被认为是可以应用于电动汽车以及混合电动汽车驱动装置中最有前景的电源。此外，锂离子电池可以将太阳能、风能等绿色能源储存与转换，以缓解上述绿色能源的间断性与不稳定性，实现能量的供需平衡。目前，诸多领域对于锂离子电池的需求量日益增大，对能量密度和快速充放电的能力提出了更高的要求。然而，传统电极材料的容量以及快速充放电的能力已经达到瓶颈。因此，研发高倍率性能的电极材料以满足有效且快速的能量存储与输出迫在眉睫。

针对这些问题，德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授课题组与哈尔滨工业大学的陈刚教授合作提出将二维纳米流体（2D Nanofluidic）结构引入氧化钴负极材料来提高材料的倍率性能。该团队通过简单的溶胶凝胶法制备了阴离子基团表面修饰的纳米片，这些修饰的基团促使纳米片组装成能够自支撑的层层堆叠结构。纳米片层的间距稍小于锂离子德拜长度的二倍，可以为锂离子的传输提供二维流体通道。通道内壁的负电基团会选择性吸引锂离子、排斥负电离子，加速锂离子的传输。通过电化学测试发现，流体通道纳米片的离子电导率比块体材料增大几个数量级，电池的倍率性能得到大幅度的提高。

该研究工作为有效提高电极材料的倍率性能指明了新方向，同时为构建高功率、高稳定性的锂离子电池提供了新的探索思路。这一成果近期发表在Advanced Materials 上，并被选为Front Cover。余桂华教授课题组专注于从结构的角度来设计二维锂离子电池电极材料，综合化学、材料科学和能源科学的跨学科研究，包括通过化学合成对活性物质的物理、化学性能进行优化，结合原子水平的电化学反应机理和反应动力学研究，辅以原位表征和高性能理论计算模拟，发展了一系列新型的二维电极材料。在该领域取得了一系列的前沿研究成果，相关工作发表在Science、Nature Communications、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Advanced Energy Materials 等知名国际期刊上。

该论文作者为：Chunshuang Yan, Chade Lv, Yue Zhu, Gang Chen, Jingxue Sun, Guihua Yu

Engineering Two-dimensional Nanofluidic Li-Ion Transport Channels for Superior Electrochemical Energy Storage

Adv. Mater., 2017, 29, 1703909, DOI: 10.1002/adma.201703909

导师介绍

陈刚

余桂华

来源:X一MOL资讯