Gruppe für neue Energiematerialien und -geräte der Universität Peking: Große Fortschritte im Forschungsbereich des Negativpols für Lithiumbatterien

Fortschrittliche Lithium-Ionen-Batterien mit herausragenden Energiespeichervorteilen in Bezug auf Kapazität, Sicherheit und Stabilität sind zu einem unverzichtbaren Bestandteil der täglichen Arbeit und des täglichen Lebens der Menschen geworden. Sie sind weit verbreitet in tragbaren elektronischen Produkten, Elektrofahrzeugen und sogar in Stromnetzspitzen und anderen sekundären Stromversorgungssystemen. Da es jedoch in den neunziger Jahren weit verbreitet war, hat sich die spezifische Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien nicht wesentlich erhöht, so dass es zunehmend nicht in der Lage ist, die Anforderungen von Smartphones für lange Standby-Zeiten, Elektrofahrzeugen für längere Laufzeiten und der Netz für Spitzenstromspeicher. Der Hauptgrund für dieses Dilemma ist, dass die Elektrodenmaterialkapazität von lithiumbatterien schwer zu durchbrechen ist. Beispielsweise können kommerzielle negative Elektrodenmaterialien nur Materialien auf Kohlenstoffbasis mit niedriger spezifischer Kapazität mit einer theoretischen Kapazität von 372 mAh / g verwenden. Obwohl Studien gezeigt haben, dass Elemente wie Si, Ge und Sn eine hohe spezifische Kapazität als negative Pole aufweisen, sind sie durch den schnellen Kapazitätsabfall nach mehrfacher Verwendung begrenzt und in der Praxis schwierig anzuwenden. In den letzten Jahren haben SnO2-Negativelektrodenmaterialien aufgrund ihrer überlegenen zyklischen Eigenschaften große Aufmerksamkeit erhalten. Ihre theoretische Kapazität (783 mAh / g) hat die doppelte negative Elektrode von Graphit erreicht. Das vorhandene SnO2 und die elementaren negativen Elektrodenmaterialien können jedoch den Engpass der Volumenexpansion während des elektrochemischen Prozesses von Lithiumionenbatterien nicht überwinden, und die zyklische Stabilität ist schwierig, die Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Daher ist es von großer Bedeutung, wie ein neues SnO2-Lithiumelektrodenmaterial mit hoher zyklischer Stabilität und hoher Kapazität entwickelt werden kann.

Kürzlich haben die New Energy Materials and Devices Group der School of Chemistry and Molecular Engineering der Peking University und das Silikatinstitut der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der University of Pennsylvania und der Beijing University of Technology gemeinsam ein schwarzes Zinndioxid erforscht Nanometer basierend auf der ursprünglichen Präparationstechnologie. Das Material mit einer reversiblen Kapazität von 1340 mAh / g als negative Lithiumelektrode ist der theoretischen Kapazitätsgrenze von SnO2 (783 mAh / g) weit überlegen. Das Material ist nach dem Compoundieren mit Graphen hinsichtlich Zyklenstabilität und Geschwindigkeitsleistung ausgezeichneter. Die Kapazität wird nach 100 Zyklen bei einer Stromdichte von 0,2 A / g nicht gedämpft, wobei eine Kapazität von 950 mAh / g aufrechterhalten wird; ein großer Strom bei 2 A / g. Es wird auf einer Kapazität von 700 mAh / g gehalten.

Durch eingehende und detaillierte Untersuchungen stellten die Forscher fest, dass sich das einzigartige neue schwarze Zinndioxidmaterial von dem vorhandenen Zinndioxid unterscheidet, die Eigenschaften einer ausgezeichneten Elektronenleitfähigkeit und hoher Sauerstoffleerstellen aufweist und eine isotrope Reduktionsreaktion von Nano-aktiven Materialien induziert. So wurden hoch thermodynamische und hochstabile Sn- und Li2O-gleichmäßig dispergierte mikroskopische Verbund-Nanostrukturen gebildet, die schließlich das wissenschaftliche Problem der Metall-Sn-Agglomeration während des Zyklusprozesses lösten. Die Forscher waren überrascht, dass diese spezielle mikroskopische Verbundnanostruktur sicherstellen kann, dass Metallzinn bei der elektrochemischen Reaktion der Energiespeicherung vollständig reversibel zu Zinndioxid oxidiert wird. Über dieses Phänomen und diesen Mechanismus wurde in der Literatur nicht berichtet. Basierend auf dem neuen Speichermechanismus wurde die theoretische Kapazität von Zinndioxid-negativen Elektrodenmaterialien von ursprünglich 783 mAh / g auf 1494 mAh / g des neuen Mechanismus erhöht. Das von den Forschern erfundene schwarze Zinndioxid liefert eine neue Idee für das Design und die Synthese anderer neuer Arten von elektronegativen Materialien und hat auch den industriellen Anwendungswert von elektronegativen Lithiummaterialien mit hoher Kapazität.

Die Ergebnisse der Studie wurden am 21. April 2017 als "ArbustandCondutiveBlackTinOxideNanostructure-IonBatteriesPossible" veröffentlicht, veröffentlicht am 21. April 2017. Der erste Doktorand des International Top Science Journal, Dongwujie, und der erste Doktorand der Chinese Academy of Chemical Sciences, Xujijian (DOI: 1002/2017) und die Chinesische Akademie der Chemischen Wissenschaften waren die ersten Doktoranden der Universität Peking. Professor Huangfuqiang ist der Kommunikationsautor. Das Projekt wird vom Nationalen Schlüsselplan für Grundlagenforschung und -entwicklung, dem National Natural Science Foundation Committee, dem Shanghai Municipal Science and Technology Committee und den wichtigsten Forschungsprojekten der Chinesischen Akademie der Wissenschaften unterstützt.

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