工学院孙强教授研讨组在拓扑半金属碳锂离子电
来源:张紫妍网 发表于2019-07-20 02:27:25 编辑:施瓦辛格
摘要: 美国国家科学院院刊PNAS最近刊发了北京大学工学院资料与科学工程系、北京大学使用物理与技能研讨中心孙强教授研讨组的研讨论文All Carbon Based Porous To

 

工学院孙强教授研讨组在拓扑半金属碳锂离子电池资料研讨范畴获得新进展

 

工学院孙强教授研讨组在拓扑半金属碳锂离子电池资料研讨范畴获得新进展

 

工学院孙强教授研讨组在拓扑半金属碳锂离子电池资料研讨范畴获得新进展

 

工学院孙强教授研讨组在拓扑半金属碳锂离子电池资料研讨范畴获得新进展

美国国家科学院院刊PNAS最近刊发了北京大学工学院资料与科学工程系、北京大学使用物理与技能研讨中心孙强教授研讨组的研讨论文“All Carbon Based Porous Topological Semimetal for Li-ion Battery Anode Material”,报导了他们在锂离子电池负极资料研讨范畴的最新效果。

锂离子电池因其较高的功率密度以及老练的商业化使用在人们日常日子中扮演着重要的人物。但跟着科技的开展,特别是电动轿车范畴的鼓起,现有的锂离子电池越来越难以满意人们对动力存储的要求。锂离子电池首要由正极、负极和电解液三部分构成,负极资料作为电池储锂的首要部分是进步锂离子电池全体功能的要害之一,因此也一直是人们研讨的热门。石墨碳资料因有较好的稳定性和低的成本是现有商业锂离子电池广泛选用的负极资料,但其实践容量只要290~360 mAh/g。尽管这个容量能够根本满意现有电子产品对电池功能的要求,但关于对电池能量密度、倍率性、安全性有更高要求的电动轿车范畴,其容量和倍率功能还有很大距离。另一方面,石墨碳资料的容量现已挨近理论容量极限372 mAh/g,要进一步进步电池的容量,有必要寻觅全新的锂离子电池负极资料体系。多孔碳因具有大的比表面积和多的锂离子吸附位点一直是人们寻觅高比容量负极资料的热门,但多孔碳储锂也有其固有的缺陷:(1)多孔化会在资猜中构成很多无序的缺陷,下降资料的导电性,从而影响电池的倍率功能。(2)锂离子在孔洞与电解质的界面处发作很多不行逆反应,形成不行逆的容量丢失,导致低的库伦功率,一般的多孔碳资料的库伦功率都低于50%。关于全电池来说,其正极能够带着的锂离子总量是必定的,大的不行逆容量丢失是一个丧命的缺陷。(3)惯例的多孔碳中无序的孔洞不利于离子的分散和电池倍率功能的进步。为了处理上述问题,抱负的状况是找到一种三维的碳资料,其既具有有序的纳米通道又具有高的导电性,而拓扑半金属碳资料为此供给了可能性。

拓扑电子学是近年来物理学研讨的前沿范畴,2019年的诺贝尔物理学奖也颁发了在此方向上作出开创性奉献的三位物理学家。拓扑半金属资料在费米面处具有线性的能带色散联系,电子的有用质量为零,具有极高的电子迁移率。并且这种线性的能带色散联系是由资料的全体结构决议的,是受对称性维护的。这就为寻觅具有高的导电性的三维多孔碳负极资料供给了可能性。根据此,孙强课题组对最近被理论所预言的三维拓扑半金属碳bco-C16作为锂离子电池负极资料的可能性进行了体系的研讨。根据第一性原理的核算标明,锂离子能够在bco-C16中可逆的脱嵌,其理论比容量为558 mAh/g(Li-C4),远高于商业化的石墨负极资料(Li-C6)。因为bco-C16具有一维的纳米通道,锂离子的分散出现显着的一维特征,跟着锂离子的嵌入,其分散能垒由0.53 eV下降至0.019 eV,并且这种一维的锂离子分散特征在很大的拉伸和紧缩形变下仍会坚持。核算的均匀开路电压为0.23 V,脱嵌锂的过程中bco-C16体积改变与石墨适当。上述结果标明,拓扑半金属的多孔碳bco-C16负极与石墨碳比较具有更高的比容量、高的倍率功能、低的电极电位和很好的循环稳定性,因此具有很好的使用远景。

拓扑电子态和锂离子电池是当今科学技能研讨的两大热门。该研讨用拓扑半金属的碳资料做锂电池的负极很自然地在这两个范畴之间架起了桥梁,这不仅为规划高功能的锂离子电池指出了新的方向,并且更拓宽了拓扑电子态研讨的使用范畴。

该论文的第一和第二作者分别是博士研讨生刘俊义和汪硕,通讯作者为孙强教授。该研讨得到了国家重点研制方案“新动力轿车”专项和国家自然科学基金委项目的赞助。

拓扑半金属碳锂离子电池示意图

修改:安定

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