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全固态锂电池新型负极材料——“穿孔石墨烯分子”

导读: 日本东北大学与东京大学组成的研究组于2016年5月14日宣布,开发出了全固态锂电池的新型负极材料“穿孔石墨烯分子(CNAP)”。这种材料可实现达到通用的石墨电极2倍以上的电容量,在充放电65次之后仍然能够维持原本的容量。

  日本东北大学与东京大学组成的研究组于2016年5月14日宣布,开发出了全固态锂电池的新型负极材料“穿孔石墨烯分子(CNAP)”。这种材料可实现达到通用的石墨电极2倍以上的电容量,在充放电65次之后仍然能够维持原本的容量。

“穿孔石墨烯分子”的分子结构

“穿孔石墨烯分子”的分子结构

  长期以来,锂电池的负极材料一直使用重量轻、电容量大的石墨。最近,石墨烯、碳纳米管等纳米碳作为新型碳材料出现在市场上,使电池容量扩大到之前的2~3倍成为了可能。但纳米碳是结构不唯一的复杂混合物,无法解明大容量化的原理和方针。因此,开发具有部分纳米碳结构的分子性物质成为了关注的焦点。

  此次开发的穿孔石墨烯分子是分子中央有纳米级微孔的大环有机分子。以这种分子的固体物质作为电极制造电池并进行检测的结果证实,这种分子是一种优秀的电极材料。此次研究的着眼点是开发备受期待的新一代电池,即全固态电池,没有采用常规电池使用的液体电解质,而是采用固体电解质。使用锂离子传导性高而且稳定的络合氢化物作为固体电解质,为这次的新发现创造了契机。


新负电极分子材料的运动模式图借助锂(黄色)在穿孔石墨烯分子的缝隙和微孔部分(蓝色)的插入与脱离,进行放电和充电。

使用新负极分子材料的全固态锂电池及其截面的电子显微镜图。穿孔石墨烯分子电子显微镜图中灰白色的部分,发黑的部分是固体电解质 。

  另外,此次研究还发现,使用粉末X射线衍射的方法,穿孔石墨烯分子的固体会形成与石墨相似的层状结构,并且可以使中央分子的微孔排成一线,形成微细、贯通的微孔结构。在石墨中,锂只在层叠起来的碳层的间隙中累积,而在穿孔石墨烯分子中,锂在纳米级的间隙和微孔两个地方累积,因此可以扩大容量。穿孔石墨烯分子可以使用非常普遍、产量很大的有机化合物“萘”制造。

  此次研究的相关成果已于5月13日(中欧夏令时)在国际学术杂志《Small》上发表。

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