有關鋰離子電池負極取得的重要進展

自從上世紀90年代被大規(guī)模應用以來，鋰離子電池的比容量沒有顯著提升，因此也越來越無法滿足智能手機要求的待機時間長、電動汽車要求的跑得更遠、電網(wǎng)調(diào)峰要求的儲電量大。

這一困境的根本原因在于鋰電池的電極材料容量難以突破，比如，商用負極材料只能采用理論容量為372mAh/g的低比容量碳基材料。盡管研究表明，Si、Ge、Sn等單質(zhì)作為負極具有很高的比容量，但是受限于多次使用后的容量快速衰減而難以實際應用。近年來，二氧化錫（SnO2）負極材料具有優(yōu)越的循環(huán)性能而受到極大關注，其理論容量（783mAh/g）已經(jīng)達到了石墨負極的兩倍。

資料圖

然而，現(xiàn)有SnO2和單質(zhì)負極材料都在鋰離子電池電化學過程中無法克服體積膨脹的應用瓶頸，循環(huán)穩(wěn)定性難以滿足應用需求。因此，如何開發(fā)新的高循環(huán)穩(wěn)定性/高容量的SnO2基鋰電負極材料具有重要意義。

近日，北京大學化學與分子工程學院新能源材料與器件課題組與中國科學院硅酸鹽研究所、美國賓夕法尼亞大學以及北京工業(yè)大學等聯(lián)合研究，發(fā)明了一種基于獨創(chuàng)制備技術的黑色二氧化錫納米材料，該材料作為鋰電負極具有1340mAh/g的可逆容量，遠優(yōu)于SnO2的理論容量極限（783mAh/g）。該材料與石墨烯復合后更顯示出極其優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，在0.2A/g電流密度下循環(huán)100圈之后容量不衰減，保持950mAh/g的容量；在2A/g的大電流下保持具有700mAh/g的容量。

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

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充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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Figure2.ElectronimagesandelectricalconductivityofSnO2,SnO2?x,andSnO2?x:RGO.

通過深入而細致的研究，研究者認識到獨特的黑色二氧化錫新材料不同于現(xiàn)有的二氧化錫，具有優(yōu)異電子導電性和豐富氧空位的特征，誘導出納米活性材料的還原反應具有各向同性，從而形成了一個熱力學高度穩(wěn)定的Sn和Li2O均勻分散的微觀復合納米結構，最終解決了循環(huán)過程中金屬Sn團聚的科學難題。研究人員驚喜地發(fā)現(xiàn)，這個特殊的微觀復合納米結構可以保證金屬錫在儲能電化學反應中完全可逆氧化為二氧化錫（圖），這個現(xiàn)象和機理尚未見文獻報道?；谛碌膬﹄姍C理，二氧化錫負極材料的理論容量從原來的783mAh/g提高到新機理的1494mAh/g。研究者發(fā)明的黑色二氧化錫為設計和合成其它新型電負極材料提供了一種新的思路，同時也極具高容量鋰電負極材料的產(chǎn)業(yè)應用價值。

高導電黑色二氧化錫電極反應示意圖、電池循環(huán)性能示意圖以及循環(huán)后二氧化錫顆粒元素分布圖

該研究成果以“ARobustandConductiveBlackTinOxideNanostructureMakesEfficientLithium-IonBatteriesPossible”為題發(fā)表于2017年4月21日的國際材料科學期刊AdvancedMaterials上（DOI:10.1002/adma.201700136），北京大學化學與分子工程學院研究生董武杰、王超以及中國科學院硅酸鹽研究所研究生徐吉健為共同第一作者，黃富強教授為通訊作者。該項目得到國家重點基礎研究發(fā)展計劃、國家自然科學基金委員會、上海市科學技術委員會和中國科學院主要研究項目的支持。