鋰離子電池（LIB）是可持續能源技術的未來，但在不斷提高電池容量的研發過程中，電池陽極體積會發生劇烈膨脹，從而引發安全問題。據外媒報道，近日，韓國研究人員發現一種創新、簡單且成本低的方法，即將硒化錳陽極嵌入3D碳納米片基質中，可以避免鋰離子電池體積發生劇烈膨脹，同時也提高了電池的能量密度。

 

（圖片來源：期刊Chemical Engineering）

 

作為下一代能源解決方案，LIB這種用于電氣設備或電動汽車的可再生能源一直備受關注。然而，目前使用的LIB的陽極存在多項不足，包括低離子電子電導率和充放電循環期間的結構變化，以及低比容量，大大限制了電池的性能。

 

為了尋找更好的負極材料，韓國海事海洋大學（Korea Maritime and Ocean University）的Jun Kang博士和韓國釜山國立大學的同事設計出一種具有獨特結構的負極，可以克服許多現有陽極的效率問題。Jun Kang博士表示：“我們一直專注于研究硒化錳（MnSe）。硒化錳是一種價格較低的過渡金屬化合物，因其具有高導電性，并適用于半導體和超級電容器的開發而被大眾熟知。因此這種材料可能也適用于LIB陽極。”然而，MnSe在充放電循環過程中會發生劇烈的體積變化（約160%），不僅會降低電極性能，還會引發安全問題。

 

為防止這種體積變化，研究人員開發出一種簡單且低成本的工藝：將MnSe納米顆粒均勻地注入三維多孔碳納米片基質（three-dimensional porous carbon nanosheet matrix，3DCNM）中。在新開發的、研究人員將其稱為“MnSe ⊂ 3DCNM”負極材料中，碳納米片支架可使錨定的MnSe納米顆粒具有眾多優點，例如大量的活性位點、以及具有電解質的強化的接觸面積，并可避免發生劇烈體積膨脹。

 

研究人員能夠合成多種MnSe ⊂ 3DCNM材料，其中MnSe ⊂ 3DCNM-1.92表現出最好的循環穩定性和倍率能力。當將其與全電池（full cell）中的鋰錳（III,IV） 氧化物（LiMn2O4，一種常用的正極材料）結合時，該團隊觀察到MnSe ⊂ 3DCNM-1.92可以持續表現出卓越的電化學性能，包括優異的鋰離子和電子傳輸動力學。

 

該研究團隊對于此次成果的潛在影響力感到十分興奮。正說Kang博士所說：“通過使用有益的填料支架，我們開發出的新陽極可以提高電池性能的同時，還能實現可逆能量存儲。這種策略還適用于其他具有較大表面積和高穩定納米結構的過渡金屬硒化物，從而應用于存儲系統、電催化和半導體中。”