讓鋰離子跑得更快，跑得更遠(yuǎn)！
—走近電池材料微觀世界中的建構(gòu)者

吳苡婷

電池就是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。

1799年，意大利物理學(xué)家伏特把一塊鋅板和一塊銀板浸在鹽水里，發(fā)現(xiàn)連接兩塊金屬的導(dǎo)線中有電流通過。于是，他就把許多鋅片與銀片之間墊上浸透鹽水的絨布或紙片平疊起來。用手觸摸兩端時，會感到強(qiáng)烈的電流刺激。伏特用這種方法成功地制成了世界上第一個電池——“伏特電堆”。1890年愛迪生又發(fā)明了可充電的鐵鎳電池。

今天電池已經(jīng)融入了我們的日常生活。電池的種類也有很多，從使用次數(shù)上區(qū)分，有一次性電池和充電電池。充電電池從電池的正負(fù)極材料上來區(qū)分，有鉛蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池和鋰硫電池等。

電池的儲能性能與使用材料對于工作離子的容納程度有密切關(guān)聯(lián)。今天，我們手中的電池越來越小，但是性能卻越來越強(qiáng)大，最直觀的感受就是我們的手機(jī)變得越來越薄，電池越來越小，但是待機(jī)時長卻大大延長。

而隨著新能源電動汽車的普及，續(xù)航里程也成為阻礙電動汽車發(fā)展的問題之一。市場迫切需要續(xù)航里程長、循環(huán)次數(shù)多又足夠安全的“超級電池”。

上海理工大學(xué)材料學(xué)院楊俊和教授團(tuán)隊就是電池微觀結(jié)構(gòu)的高超建構(gòu)者。他們打造的富碳納米儲能材料，可以使得離子在電池中跑得更快，也跑得更遠(yuǎn)，為“超級電池”的設(shè)計與制備提供了理論支撐。

一個電池就是一個封閉小跑道

電池主要由四個部分組成，分別是電池的正負(fù)極、電解質(zhì)、隔離正負(fù)極的隔膜以及外層的外殼。

以鋰離子電池為例，電池充電后，工作離子（鋰離子）獲得了一定的電勢能，存放在負(fù)極材料中，就像是海綿吸足了水。使用時，鋰離子從電池的負(fù)極向正極飛奔并對外放電，如此充放電循環(huán)反復(fù)在電池內(nèi)部的跑道上來回地奔跑著。

楊俊和教授團(tuán)隊中的鄭時有教授表示，電池的性能從某種意義上說，就是電池內(nèi)部跑道中鋰離子“跑步”的速度和“跑步”的長度（圈數(shù)）。有些電池正極和負(fù)極材料看似很不錯，比如硅材料，離子在第一圈飛奔時表現(xiàn)良好，但是到了第二圈和第三圈，就開始乏力，也就是循環(huán)能力偏弱，背后的原因其實就是鋰離子飛奔對于原始的材料結(jié)構(gòu)造成了沖擊，微觀材料抵擋不住巨大的受力，開始崩塌和變形，阻礙了下一輪鋰離子的飛奔，進(jìn)而影響了電池的綜合性能。

所以科學(xué)家需要對正負(fù)極的材料進(jìn)行研究，對各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行嘗試，希望構(gòu)建出一個完美的鋰離子跑道——這個跑道的結(jié)構(gòu)堅固，則導(dǎo)電性非常好；在一定電勢差下，單位空間的鋰離子數(shù)量不僅可以大幅度增多，而且可以跑得更快，也跑得更遠(yuǎn)。

碳材料有奇效

碳材料就是提高電池正負(fù)極性能的關(guān)鍵材料。楊俊和介紹說，自古以來，碳材料就是非常神奇的材料，它是人類使用的最古老材料，又是當(dāng)今社會發(fā)展最快的新型材料之一。

眾所周知，單質(zhì)碳在自然界有三種不同的形態(tài)：一種是閃爍著各色光芒的金剛石，一種是灰黑色的石墨，一種是黑褐色的煤炭。煤自古以來就是重要的燃料。在世界上中國人用煤最早，有悠久的歷史。從文獻(xiàn)記載和考古發(fā)掘來看，至遲在漢代就已用煤了。近30年來，對于碳納米管、富勒烯、石墨烯等新型碳材料的科研突破，更是接連讓相關(guān)科學(xué)家獲得諾貝爾獎，新型碳材料的研究已經(jīng)成為當(dāng)下熱門的前沿科研領(lǐng)域。

從最早的干電池，到正在快速發(fā)展的鋰離子電池、超級電容器和其他新型儲能器件，無不把碳作為其關(guān)鍵材料之一。傳統(tǒng)鋰離子電池的負(fù)極材料使用的就是普通石墨。之所以如此，是因為碳材料具有結(jié)構(gòu)多樣性、多尺度精準(zhǔn)調(diào)控、高導(dǎo)電、高比表面等優(yōu)點。

而所謂富碳材料是以碳材料為主的同時加入其他元素的材料，搭建出材料的“骨架”。

鄭時有舉例說，比如現(xiàn)在很熱門的鋰硫電池，我們知道硫的理論容量高達(dá)每克1 600毫安時，現(xiàn)在的電池材料的容量不到1/10，但是硫元素天然并不導(dǎo)電，而且容易發(fā)生多級化學(xué)反應(yīng)，溶入電解液中，要依靠碳和氮等其他元素進(jìn)行一定的配比，搭建出一定的骨架，來提高鋰硫電池的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

雕刻出適合鋰離子奔跑的結(jié)構(gòu)

通過十年的持續(xù)研究，楊俊和的項目組取得了不少科學(xué)進(jìn)展。他們雕刻出不少適合鋰離子奔跑的結(jié)構(gòu)，也找到碳元素和其他元素之間的優(yōu)良配比，為各種高性能電池的打造奠定了基礎(chǔ)。比如，電化學(xué)電池的電極材料中，需要有一定的“孔”，能在充電時讓鋰離子通過。這些孔應(yīng)該是大是小，是圓是方？孔如何有序、有尺度地分布？

對此，研究團(tuán)隊提出了π-π共軛誘導(dǎo)和原子摻雜策略，證明了π-π共軛誘導(dǎo)和碳-氮共價鍵協(xié)同作用是高強(qiáng)度三維組裝體形成的內(nèi)在原因，以石墨烯為基本結(jié)構(gòu)單元，制備出低密度高強(qiáng)度的多級孔結(jié)構(gòu)石墨烯基三維碳材料，而這種結(jié)構(gòu)正是儲能材料具有循環(huán)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，也就是讓鋰離子能夠長時間保持高速度飛奔的基礎(chǔ)。

此外，團(tuán)隊揭示了孔結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)對硫穩(wěn)定作用的基本規(guī)律，發(fā)展了基于納米限域和化學(xué)鍵合的策略，這解決了鋰硫電池中硫的導(dǎo)電性差、多硫化物在電解質(zhì)中的溶解等關(guān)鍵問題，開辟了高性能安全鋰硫電池的新途徑。這一發(fā)現(xiàn)被國際著名鋰電池科學(xué)家、美國奧斯汀大學(xué)曼迪亞姆（Manthiram）教授評價為“發(fā)展了最接近實用化生產(chǎn)硫化鋰/碳復(fù)合材料的途徑”。

二維“面-面”結(jié)構(gòu)的石墨烯SnS2鋰離子電池負(fù)極材料

而在碳與其他材料的匹配模式上，團(tuán)隊也取得了很大突破，他們提出了碳與活性組元維度匹配復(fù)合新思路及性能優(yōu)化策略，制備出性能優(yōu)異的電池負(fù)極材料。由此，他們?yōu)樾滦透惶技{米復(fù)合儲能材料的制備提供了一套完整的理論，促進(jìn)了該類材料在儲能電池和超級電容器領(lǐng)域的應(yīng)用研究和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

解決了大量電池生產(chǎn)中的瓶頸問題

值得一提的是，上理工團(tuán)隊的實踐不僅僅在理論層面，他們的成果已經(jīng)應(yīng)用在了電池產(chǎn)業(yè)中。

今天絕大多數(shù)的商業(yè)鋰離子電池都使用石墨作為負(fù)極材料。但是，石墨負(fù)極的鋰離子容納量已經(jīng)接近其理論值，很難再有提升的空間。能不能找到一種高比容量負(fù)極材料來替代石墨呢？

楊俊和告訴記者，為了解決這個問題，他們創(chuàng)造性地構(gòu)建出一種納米尺寸新型結(jié)構(gòu)。在微觀視野下，他們讓石墨烯和硫化錫一層一層地、“面對面”地貼合在一起，合成片片相隔式的二維復(fù)合電極材料，不僅可以有效減小材料內(nèi)部電荷的傳輸阻力，而且剛性的硫化錫可以彌補(bǔ)柔性石墨烯的缺點，達(dá)到剛?cè)岵?jì)的效果。二者結(jié)合可以形成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，能更好地適應(yīng)充放電過程中材料的體積變化與應(yīng)力變化，讓鋰離子飛奔得更加順暢。

上理工團(tuán)隊在其他新型儲能器件的產(chǎn)業(yè)化方面，除了前文所述發(fā)展最接近實用化生產(chǎn)的硫化鋰/碳復(fù)合材料正極，為鋰硫電池的產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)以外，在功率密度最高的二次化學(xué)儲能器件電化學(xué)電容器或超級電容器方面，他們創(chuàng)造性地提出基于理想結(jié)構(gòu)的垂直排列碳納米管載體，制備垂直碳納米管/氧化物納米復(fù)合電極，以獲得高離子容納度和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，推進(jìn)了超級電容器的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

目前，該研究團(tuán)隊正與一批國內(nèi)外企業(yè)開展產(chǎn)學(xué)研合作，相信在不久的將來，人們可以在電動汽車、儲能電站、電子設(shè)備等多個領(lǐng)域看到富碳納米儲能材料的身影，它們將為人類的能源使用發(fā)揮出巨大的作用。