深研院新材料学院在纳米超容量锂电池正极材料研究中取得紧要冲破

电动车将成为将来紧要的绿色交通工具，急需开发新型高容量、高稳定和高安全的锂电池。科学家们也在不断尝试各种办法提高锂电池的性能，其中纳米化是一种改进材料电化学性能的常见办法，尤其关于磷酸铁锂这类低电导率的材料具有显著的改善效果。纳米化的优势是缩短了锂离子的传输路径，可以获得更好的倍率性能。与块体材料相比，纳米化的缺点包括表面的锂与界面原子的结合能降低会导致容量的损失和电压的降低；纳米化后的大比表面积会带来更多的活性位点，大量的活性位点与电解液的接触也会成为影响锂电池充放电稳定性的紧要因素；纳米化带来的振实密度和能量密度的降低更是工业加工中不容忽视的问题。

（A）40nmLiFePO4一般包碳和超容量包碳的充放电曲线图；（B）83nmLiFePO4一般包碳和超容量包碳的充放电曲线图；（C）裸露的LiFePO4界面；（D）重构之后的LiFePO4界面（N代表一般包碳办法，E代表超容量包碳办法）

为了发扬纳米化的优势并克服纳米化的缺点，经过3年时间的艰苦攻关，北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授课题组终于取得了紧要冲破。他们巧妙地在纳米磷酸铁锂的表面盖上了一个与界面能够配位反应的壳层（磷酸铁锂表面生成的C-O-Fe化学键），不仅提高了表面锂离子的结合能，而且出现了额外的锂离子存储位点。使用重构之后的纳米磷酸铁锂材料当均匀粒径为42nm时材料容量能够达到了207mAhg-1，超过其理论容量（170mAhg-1）的21%，因此是一种新型的超容量的纳米正极材料。该材料有很好的稳定性，在10℃下循环1000次之后仍能保持99%的容量。

（A）LiFePO4粒径对重构后容量的影响（黑点和蓝点为理论值，红点为试验值）；（B-D）磷酸锰铁锂、磷酸锰锂和磷酸钴锂一般包碳和超容量包碳的充放电曲线图

团队通过量子化学理论计算和试验结合，揭示了纳米超容量储能的机理，该发现对开发新型的纳米储能材料有着紧要的意义，人们可以通过设计配位基团重构界面壳层，不仅能够实现超容量储能，同时还可以提高纳米材料使用的稳定性。该工作发表在近期的国际材料范畴优秀期刊NanoLetters（DOI：10.1021/acs.nanolett.7b02315，影响因子为12.7，自然发表指数杂志之一）上。该工作在潘锋教授指挥下，由段彦栋博士、张炳凯博士、郑家新博士与2015级博士生胡江涛合作完成。该工作的紧要合作者还有美国阿贡国家试验室KhalilAmine教授和YangRen教授、伯克利国家试验室的Lin-WangWang和WanliYang教授、西北太平洋国家试验室Chong-MinWang教授。该项工作得到了国家新能源汽车（动力锂离子电池）技术创新项目、广东省引进科技创新团队项目、广东省自然科学基金、深圳市科技创新委基金、美国能源部以及深圳国家超算中心的支持。

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