開(kāi)發(fā)高性能電極材料是儲(chǔ)能電池研究的核心科學(xué)問(wèn)題之一。近日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所仿生能源系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、中科院“百人計(jì)劃”入選者崔光磊研究員等在儲(chǔ)能電池電極材料研究方面取得一系列重要進(jìn)展。

　　一般來(lái)講，儲(chǔ)能電池（以鋰離子電池為例）有3個(gè)主要的動(dòng)力學(xué)過(guò)程：鋰離子在電解液中的傳輸過(guò)程；鋰離子在電解液與電極表面的躍遷過(guò)程；鋰離子在電極材料中的化學(xué)擴(kuò)散過(guò)程（圖1）。其中，第三個(gè)過(guò)程是決定性步驟。另外，這個(gè)過(guò)程還要符合擴(kuò)散方程的限制，鋰離子在固體電極材料中的擴(kuò)散時(shí)間（τ）與擴(kuò)散長(zhǎng)度（L）的平方成正比，即：τ=L2/2D（D為鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)）。當(dāng)電極材料尺寸變小時(shí)，由于擴(kuò)散路徑縮短，鋰離子在電極材料中的擴(kuò)散時(shí)間減少，使得電極材料的倍率性能得以提高。

　　崔光磊團(tuán)隊(duì)以納米結(jié)構(gòu)的混合傳輸（電子和離子）電極材料為設(shè)計(jì)核心，兼顧構(gòu)筑快速有效的傳輸網(wǎng)絡(luò)和有利的界面，研究開(kāi)發(fā)了高性能儲(chǔ)能電池電極材料和電池新技術(shù)（圖2）。基于氮化鈦（TiN）具有良好的導(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性和較好的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)了新型納米結(jié)構(gòu)的TiN/MnO2材料（Energy Environ. Sci., 2011, 4 (9), 3502 – 3508）、介孔TiN納米球（ACS applied material interf. 2011, 3, 93-98）以及同軸的TiN-VN材料（ACS applied material interf. 2011, DOI:10.1021/am200564b）用作高能電容器的電極材料。研究結(jié)果表明，上述復(fù)合材料能表現(xiàn)出較好的混合導(dǎo)電性并發(fā)揮較高的容量，可兼顧材料的能量和功率密度。其中，介孔TiN納米球在較高的功率密度下，仍可保持45.0 Wh kg?1的能量密度。

　　鋰空氣二次電池理論上具有很高的能量密度（大于鋰離子電池的十倍）。為滿(mǎn)足動(dòng)力電池對(duì)鋰電池能量密度的需求，該團(tuán)隊(duì)利用氮攙雜石墨烯/MoN復(fù)合物構(gòu)筑了新型的空氣極材料，該材料具有優(yōu)異的催化活性，大大減少放電極化，提高能量的利用率（Chem. Com. 2011, DOI:10.1039/C1CC14427H）。同時(shí)，利用生物酶和TiN的導(dǎo)電陣列，構(gòu)筑結(jié)構(gòu)仿生的生物空電池（Biosensors and Bioelectronics 26 (2011) 4088–4094）。

　　崔光磊團(tuán)隊(duì)同時(shí)還與德國(guó)馬普協(xié)會(huì)固態(tài)所、金屬所和膠體所的Joachim Maier教授、Antonietti Markus教授等合作，在材料儲(chǔ)鋰機(jī)理上展開(kāi)深入的基礎(chǔ)研究，采用氮化碳模板法設(shè)計(jì)出一種新型的Ti-V-N/C納米復(fù)合材料，內(nèi)部構(gòu)筑多相界面。該種材料表現(xiàn)出很好的界面儲(chǔ)鋰的性質(zhì)，在大電流下，該材料也表現(xiàn)出較好的倍率性能（ChemPhysChem 2010, 11, 3219–3223）。

　　該團(tuán)隊(duì)與中科院物理所陳立泉院士、谷林教授等合作，研究氮攙雜對(duì)石墨烯的結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)鋰物性的構(gòu)效關(guān)系以及相應(yīng)的界面動(dòng)力學(xué)行為，結(jié)果表明氮攙雜為石墨烯片層提供了更多的鋰活性位點(diǎn)，且氮攙雜可以大大減少界面阻抗（J. Mater. Chem., 2011, 21, 5430-5434），后期深入工作發(fā)現(xiàn)界面上產(chǎn)生了Li3N (快離子導(dǎo)體)及其衍生物是大大減少界面阻抗，形成有利的SEI界面的主要原因；在研究氮攙雜石墨烯/VN復(fù)合物過(guò)程中，利用EELS、外場(chǎng)的XRD和高分辨電鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)復(fù)合物（VN活性低）需不斷活化后跟鋰反應(yīng)，導(dǎo)致容量的不斷提高（J. Mater. Chem., 2011, DOI: 10.1039/c1jm11710f），并基于上述機(jī)理開(kāi)發(fā)了高功率鋰離子電池電容器的電極材料（中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利ZL201010104003.1）。

　　相關(guān)研究得到了科技部重大研究計(jì)劃(973) 、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院“百人計(jì)劃”、山東省杰出青年基金等項(xiàng)目的支持。