近年來(lái)，手機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品一直在向更輕更薄發(fā)展，其中，二次（充電）電池在保持大小不變或更小的情況下，續(xù)航能力卻要求不斷提升。此外，在新能源汽車時(shí)代，如何在有限的車體空間內(nèi)擁有更長(zhǎng)續(xù)航里程的電量也是一個(gè)需要解決問(wèn)題。為讓下一代鋰電池更輕便，天津大學(xué)科學(xué)團(tuán)隊(duì)研制出了“硫模板法”。

針對(duì)日益增強(qiáng)的需求，研究學(xué)者一直致力于二次電池的性能提升研究。他們發(fā)現(xiàn)納米技術(shù)可以使電池“更輕”、“更快”，但由于納米材料較低的密度，“更小”成為橫亙?cè)趦?chǔ)能領(lǐng)域科研工作者面前的一道難題。

近日，天津大學(xué)化工學(xué)院楊全紅教授及其研究團(tuán)隊(duì)提出了一種“硫模板法”，他們通過(guò)對(duì)高體積能量密度鋰離子電池負(fù)極材料的設(shè)計(jì)，最終完成石墨烯對(duì)活性顆粒包裹的“量體裁衣”，使鋰離子電池變得“更小”成為可能。

在材料的性質(zhì)研究上，研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，雖然鋰離子電池已經(jīng)具有很高的能量密度，但是錫、硅等非碳材料有望取代目前商用石墨，大幅提高鋰離子電池的質(zhì)量能量密度。不過(guò)，這兩種材料的體積膨脹問(wèn)題限制了其自身的應(yīng)用和發(fā)展。

于是研究人員采用改進(jìn)后的碳納米材料構(gòu)建的碳籠結(jié)構(gòu)解決了這一問(wèn)題，基于石墨烯界面組裝，他們發(fā)明了對(duì)致密多孔碳籠精確定制的硫模板技術(shù)。

在采用毛細(xì)蒸發(fā)技術(shù)構(gòu)建致密石墨烯網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，研究人員引入硫作為一種可流動(dòng)的體積模板，為非碳活性顆粒完成了石墨烯碳外衣的定制。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)制硫模板使用量，他們可以精確調(diào)控三維石墨烯碳籠結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)非碳活性顆粒大小“合身”的包覆，從而在有效緩沖因非碳活性顆粒嵌鋰而導(dǎo)致的巨大體積膨脹，使其作為鋰離子電池負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的體積性能。

通過(guò)這項(xiàng)研究，楊全紅教授研究團(tuán)隊(duì)成功解決了碳材料高密度和孔隙率“魚和熊掌不可兼得”的瓶頸問(wèn)題，得到了高密度的多孔碳材料。

值得指出的是，這種基于石墨烯組裝的碳籠結(jié)構(gòu)“量體裁衣”的設(shè)計(jì)思想可以拓展為普適化的下一代高能鋰離子電池和鋰硫電池、鋰空氣電池等電極材料的構(gòu)建策略，從而使儲(chǔ)能電池有望實(shí)現(xiàn)“小體積”“高容量”，極大滿足用戶便攜性的需求。