中國儲能網(wǎng)訊：為了滿足消費電子、電動汽車、儲能電源等應(yīng)用領(lǐng)域突飛猛進的發(fā)展，急需進一步提高鋰離子電池的能量密度、功率密度、循環(huán)壽命和安全性。為此，高性能電極材料的開發(fā)是關(guān)鍵，也是研究熱點和難點。
在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下，化學(xué)所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點實驗室的研究人員，利用“納米碳三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)”進行理性電極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，大幅提高了多種納米結(jié)構(gòu)正、負極材料的電化學(xué)性能，取得系列進展（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 2512; Energy. Environ. Sci., 2012, 5, 5221；Adv. Energy Mater., 2012, 2, 1086；Chem. Commun., 2012, 48, 2198；Chem. Commun., 2012, 48, 10663；J. Mater. Chem., 2012, 22, 17456；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4, 2824；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4, 4858；Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 2934）。并應(yīng)美國化學(xué)會的Accounts of Chemical Research期刊邀請，撰寫了題為“Nanocarbon Networks for Advanced Rechargeable Lithium Batteries”的綜述文章，系統(tǒng)介紹了納米碳三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極材料在高性能鋰離子電池及未來高比能金屬鋰二次電池（鋰-硫電池和鋰-空氣電池等）中的應(yīng)用和發(fā)展前景（Acc. Chem. Res., 2012, 45, 1759）。
該課題組研究人員長期致力于高效、穩(wěn)定的高容量、高倍率鋰離子電池電極材料研究（Adv.Mater., 2008, 20, 2878;Adv. Mater., 2008, 20, 1160;Adv. Mater., 2009, 21, 2710;Adv.Mater.,2010, 22, 4591; Adv. Mater.,2011, 23, 4415;Energy. Environ. Sci., 2011, 4, 1634）。通過系統(tǒng)研究，他們發(fā)現(xiàn)各種納米碳結(jié)構(gòu)單元（納米碳顆粒、納米碳管、石墨烯、納米多孔碳等）形成的具有納米通道的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，不但可以有效分散活性電極材料納米顆粒、防止其團聚，還可以高速輸送鋰離子和電子到每個活性納米顆粒表面，從而真正發(fā)揮納米結(jié)構(gòu)電極材料的動力學(xué)優(yōu)勢，開發(fā)出兼具高容量和高倍率性能的鋰離子電池電極材料（圖1）。
圖1. 利用納米碳三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑高性能鋰離子電池電極材料示意圖。
在這一思想指導(dǎo)下，研究人員在利用石墨烯構(gòu)筑三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極材料方面取得系列進展，開發(fā)了多種高效組裝方法，構(gòu)筑出多種穩(wěn)定的高性能納微復(fù)合結(jié)構(gòu)正、負極材料。（1）他們發(fā)現(xiàn)，利用NMP為分散劑可通過簡單共混實現(xiàn)石墨烯與三元正極材料LiNi1/3Mn1/3Co1/3 O2（LMNC）納米顆?；蛴袡C自由基聚合物（PTMA）的均勻復(fù)合（圖2 (a)），從而顯著提高材料的動力學(xué)性能（Phys. Chem. Chem. Phys.,2012, 14, 2934；Energy. Environ. Sci., 2012, 5, 5221）。（2）在高容量合金負極方面，開發(fā)出一種通過結(jié)合冷凍干燥與熱還原法將硅納米顆粒嵌入到石墨烯之間的制備方法（Chem. Commun., 2012, 48, 2198）。他們還巧妙利用Si納米顆粒和氧化石墨烯的表面帶負電的性質(zhì)，以帶正電荷的聚合物電解質(zhì)為媒介，發(fā)展出一種靜電力層層組裝技術(shù)用于制備Si/石墨烯納米復(fù)合負極材料的方法。利用該法可實現(xiàn)Si納米顆粒的高效石墨烯包裹，從而大幅提高其循環(huán)性能和倍率性能（Adv. Energy Mater.,2012, 2, 1086）。（3）最近，他們還提出雙重保護設(shè)計理念用于高容量合金負極材料（圖2 (b)），即聯(lián)合利用核殼結(jié)構(gòu)的納米碳殼和石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)來解決高容量電極材料的體積膨脹、表界面和動力學(xué)問題，研制出具有優(yōu)異循環(huán)性能和倍率性能的Ge@C/石墨烯納米結(jié)構(gòu)復(fù)合負極材料。（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 2512）。
圖2. 石墨烯三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)合電極材料： (a)簡單共混法；(b) “雙重保護”法；(c) 層-層組裝法。
