技术前沿—新型纳米负极材料

传统的锂离子电池，例如广泛用于智能手机和笔记本电脑的锂离子电池，已达到性能极限。维也纳大学化学系的材料化学家Freddy Kleitz和国际科学家开发出一种用于锂离子电池的新型纳米结构阳极材料，它可以延长电池的容量和循环寿命。基于介孔混合金属氧化物与石墨烯的结合，该材料可以提供一种新方法，以便在诸如电动或混合动力车辆的大型设备中更好地使用电池。

高能量密度，延长的循环寿命和无记忆效应：锂离子电池是用于移动设备的最广泛的能量存储设备以及电力驱动的希望的承载者。研究人员正在寻找新型活性电极材料，以便将电池推向更高水平的高性能和耐用性，并使其更好地用于大型设备。“纳米结构锂离子电池材料可以提供良好的解决方案。” Freddy Kleitz说道，他与意大利都林理工大学应用材料和电化学组的负责人Claudio Gerbaldi是该研究的主要作者。

这是基于石墨烯的2D / 3D纳米复合材料的HRSEM图片。

图片来源：©Freddy Kleitz /UniversitätWien; Glaudio Gerbaldi / Politecnico di Torino

由两位科学家及其团队开发的基于混合金属氧化物和石墨烯的2D / 3D纳米复合材料严重提高了锂离子电池的电化学性能。“在我们的测试中，新的电极材料提供了显着提高的比容量，具有前所未有的可逆循环稳定性，超过3,000次可逆充电和放电循环，即使在高达1,280毫安的非常高的电流状态下，”部门负责人Freddy Kleitz说。目前通常的锂离子电池在大约1,000次充电循环后会失去性能。

新菜谱

常规负极通常存在碳材料，例如石墨。“金属氧化物比石墨具有更好的电池容量，但它们非常不稳定且导电性较差，”Kleitz解释说。研究人员找到了一种方法，可以充分利用这两种化合物的积极特征。他们开发了一系列新型电极活性材料，基于混合金属氧化物和高导电性和稳定性石墨烯，与大多数过渡金属氧化物纳米结构和复合材料相比，具有优异的特性。

作为第一步，基于新设计的烹饪程序，研究人员能够以受控方式均匀混合铜和镍，以实现混合金属。基于纳米铸造 – 一种生产介孔材料的方法 – 它们产生结构化的纳米多孔混合金属氧化物颗粒，由于它们广泛的孔网络具有非常高的活性反应区域，用于与来自电池电解质的锂离子交换。然后，科学家们采用喷雾干燥程序将混合的金属氧化物颗粒与薄石墨烯层紧密包裹在一起。

简单高效的设计

从环保的观点来看，锂离子电池用于电力驱动被认为是问题的，例如其原料密集型的生产方式。高储能，长持时，以及低成本的小型电池可以推进其在大型设备中的使用。“与现有方法相比，我们针对新型高性能和长效负极材料的创新工程策略简单而有效。它是一种水基工艺，因此对环境友好，可随时应用于工业级”，该研究作者总结道。

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