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　　工學(xué)院孫強(qiáng)教授研究組在拓?fù)浒虢饘偬间囯x子電池材料研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展

　　美國科學(xué)院院刊《PNAS》最近刊發(fā)了工學(xué)院材料與科學(xué)工程系、北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心孫強(qiáng)">孫強(qiáng)教授研究組的研究論文“All Carbon Based Porous Topological Semimetal for Li-ion Battery Anode Material” ，報(bào)導(dǎo)了他們?cè)阡囯x子電池負(fù)極材料研究領(lǐng)域的最新成果。

　　鋰離子電池因其較高的功率密度以及成熟的商業(yè)化應(yīng)用在我們的日常生活中扮演著重要的角色。但隨著科技的發(fā)展，特別是電動(dòng)汽車領(lǐng)域的興起，現(xiàn)有的鋰離子電池越來越難以滿足人們對(duì)能源存儲(chǔ)的要求。鋰離子電池主要由正極，負(fù)極，和電解液三部分構(gòu)成,負(fù)極材料作為電池儲(chǔ)鋰的主要部分是提高鋰離子電池整體性能的關(guān)鍵之一，因此也一直是人們研究的熱點(diǎn)。石墨碳材料因有較好的穩(wěn)定性和低的成本是現(xiàn)有商業(yè)鋰離子電池廣泛采用的負(fù)極材料。但其實(shí)際容量只有290~360 mAh/g，雖然這個(gè)容量可以基本滿足現(xiàn)有電子產(chǎn)品對(duì)電池性能的要求，但對(duì)于對(duì)電池能量密度，倍率性，安全性有更高要求的電動(dòng)汽車領(lǐng)域，其容量和倍率性能還有很大差距。另一方面，石墨碳材料的容量已經(jīng)接近理論容量極限372mAh/g，要進(jìn)一步提高電池的容量，必須尋找全新的鋰離子電池負(fù)極材料體系。多孔碳因具有大的比表面積和多的鋰離子吸附位點(diǎn)一直是人們尋找高比容量負(fù)極材料的熱點(diǎn)，但多孔碳儲(chǔ)鋰也有其固有的缺點(diǎn)：(1)多孔化會(huì)在材料中形成大量無序的缺陷，降低材料的導(dǎo)電性，進(jìn)而影響電池的倍率性能;(2)鋰離子在孔洞與電解質(zhì)的界面處發(fā)生大量不可逆反應(yīng)，造成不可逆的容量損失，導(dǎo)致低的庫倫效率，一般的多孔碳材料的庫倫效率都低于50%。對(duì)于全電池來說，其正極可以攜帶的鋰離子總量是一定，大的不可逆容量損失是一個(gè)致命的缺點(diǎn);(3)常規(guī)的多孔碳中無序的孔洞不利于離子的擴(kuò)散和電池倍率性能的提高。為了解決上述問題，理想的情況是找到一種三維的碳材料既具有有序的納米通道又具有高的導(dǎo)電性，而拓?fù)浒虢饘偬疾牧蠟榇颂峁┝丝赡苄浴?/p>

　　拓?fù)潆娮訉W(xué)是近年來物理學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，2016年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也授予給了在此方向上做出開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的三位物理學(xué)家。拓?fù)浒虢饘俨牧显谫M(fèi)米面處具有線性的能帶色散關(guān)系，電子的有效質(zhì)量為零，具有極高的電子遷移率。而且這種線性的能帶色散關(guān)系是由材料的整體結(jié)構(gòu)決定的，是受對(duì)稱性保護(hù)的。這就為尋找具有高的導(dǎo)電性的三維多孔碳負(fù)極材料提供了可能性。基于此，北京大學(xué)孫強(qiáng)">孫強(qiáng)課題組對(duì)最近被理論所預(yù)言的三維拓?fù)浒虢饘偬糱co-C16作為鋰離子電池負(fù)極材料的可能性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。基于第一性原理的計(jì)算表明，Li 離子可以的在bco-C16中可逆的脫嵌，其理論比容量為558 mAh/g(Li-C4),遠(yuǎn)高于商業(yè)化的石墨負(fù)極材料(Li-C6).由于bco-C16具有一維的納米通道，Li離子的擴(kuò)散呈現(xiàn)明顯的一維特征，隨著鋰離子的嵌入，其擴(kuò)散能壘由0.53 eV降低至0.019 eV，而且這種一維的鋰離子擴(kuò)散特征在很大的拉伸和壓縮形變下仍會(huì)保持。計(jì)算的平均開路電壓為0.23 V,脫嵌Li的過程中bco-C16體積變化與石墨相當(dāng)。上述結(jié)果表明，拓?fù)浒虢饘俚亩嗫滋糱co-C16負(fù)極與石墨碳相比具有更高的比容量，高的倍率性能，低的電極電位和很好的循環(huán)穩(wěn)定性，因而具有很好的應(yīng)用前景。

　　拓?fù)潆娮討B(tài)和鋰離子電池是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)研究的兩大熱點(diǎn)。該研究用拓?fù)浒虢饘俚奶疾牧献鲣囯姵氐呢?fù)極很自然地在這兩個(gè)領(lǐng)域之間架起了橋梁，這不僅為設(shè)計(jì)高性能的鋰離子電池指出了新的方向，而且更拓寬了拓?fù)潆娮討B(tài)研究的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　該論文的第一和第二作者分別是博士研究生劉俊義和汪碩, 通訊作者為孫強(qiáng)">孫強(qiáng)教授。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-“新能源汽車”專項(xiàng)和自然科學(xué)基金委的資助。

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