香港城大锂电池材料专家 新研发材料具快速充放电能力
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2020-06-20
手机，已成为我们当今生活不可或缺的物件。工作时候在看，回家路上在看，吃饭娱乐时也在看。睡前不刷一会儿手机或者无法入睡，睡醒第一时间也是找手机。手机几乎处于24小时待命的状态，因此每天至少要充一两次电，随身携带的充电宝俨然成为出门的标配。手机充电时间能缩短，同时待机时间也增加，是不少“低头一族”梦寐以求的愿望。
事实上，除了手机，一些随身电子产品如运动手表，甚至是电动车，都对储电量高、充电速度快的电池一直需求庞大。包括香港城市大学（香港城大）科研人员在内的团队，近期便研发出一种具有快速充放电能力的锂电池负极材料，有望将电动车半小时的充电时间大幅缩短至三至六分钟左右，而且材料充放电逾500次仍然保持98.7%的高容量，性能稳定。研究人员相信这个研究成果具有很大的市场价值。
该种能快速充放电的锂电池新材料，由香港城大物理学系助理教授刘奇博士的研究团队与内地的科学家成功研发。他们的研究成果早前已在科学期刊《自然通讯》（Nature Communications）上发表，题为〈Boosting fast energy storage by synergistic engineering of carbon and deficiency〉。
用碳包裹晶粒 提高材料导电性
刘博士先剖析快速充电（fast charging）当中的原理：“材料能快充的关键在于快速的电子传输（即高导电性），以及锂离子能够快速扩散。我们研发的新材料就针对这两点。”
研究团队首先利用可控的低温工程技术，令他们研发的钛铌氧材料（Ti2Nb10O29, 以下简称TNO）的每一颗晶粒的边界，都均匀地被厚度可调整的碳包裹着。研究团队并就晶粒碳外层的厚度进行测试，结果显示晶粒被3纳米厚的碳包裹时具有最佳的效能。
图为TNO晶粒被3纳米厚的碳所包裹的影像。碳的厚度可由制备时的反应温度控制，研究人员共合成了三种不同碳厚度（1nm-350°C；3nm-400°C；5nm-450°C）的TNO，再进行测试。（图片来源：DOI: 10.1038/s41467-019-13945-1）
研究人员用仪器测出各元素均匀地分布在TNO样品中，证实材料的合成是成功的。（图片来源：DOI: 10.1038/s41467-019-13945-1）
TNO充电比石墨锂电池材料更快
虽然晶粒被碳包裹，但是TNO的结构并没有被改变。此外，团队制备TNO的特殊方法亦为材料引入氧缺陷（oxygen deficiency）。刘博士解释说：“氧缺陷可以提升材料的电子导电性，所以充电可以很快。”当导电性提高，电子会快速转移并产生热能，不过刘博士表示，相关的热能是可控的，不会影响材料的安全性。团队的实验结果也显示，锂离子更容易在有氧缺陷的TNO中迁移。
锂电池主要由正极、负极、电解液及隔离膜四大部分组成，透过电化学反应产电。刘博士指出，石墨是其中一种已经被商业化的锂电池负极材料，“但是石墨无法做到快充的效果。事实上，市场上暂时未有负极材料能够快速充放电，我们研制的这款可快充的TNO负极材料以及相应的机理和方法学研究，对于先进电池材料的研发来说是一个突破”。他相信是次研究成果具有很大的市场应用价值。
快速锂电负极材料商业潜力巨大
更重要的是，实验数据显示被3纳米厚的碳所包裹的TNO的电极表现出优异的耐用性能，在充放电超过500次后容量保持率为98.7%，性能稳定。相比之下，没有碳包裹的TNO，充放电逾500次后容量保持率只有85.9%。
线是被3纳米厚的碳所包裹的TNO的充放电实验数据，显示充放电效能均比没有被碳所包裹的TNO（绿线）好。（图片来源：DOI: 10.1038/s41467-019-13945-1）
刘博士指出，被碳所包裹的TNO最大的优势是可以快充，虽然它比另一种较常见的电池材料二氧化钛（TiO2）昂贵，但结构却比二氧化钛更稳定。他又表示，团队所用的碳包裹和引入氧缺陷的材料制备方法，同样适用于其他金属氧化物负极材料，并形容是电化学储能复合材料边界碳设计的一种突破性方法。
刘博士与来自中国科学院物理研究所的研究员谷林博士、浙江大学材料科学与工程学院的夏新辉博士是论文的共同通讯作者。同样来自香港城大物理学系的博士后研究员朱贺博士为论文其中一位共同第一作者。
针对负极材料的系列式论文发布
为了进一步提升相关材料的性能，刘博士及其他研究人员继续深入研究，最近便发现纳米TNO通过螺旋阵列设计，并掺杂了金属铬离子后，可以改善电子和离子的传导，使TNO晶体拥有更加开放的储锂结构和更为丰富的储锂机制。材料同时拥有更高的电子电导以及更稳定的电极结构，因此全面提升了充放电速率和循环稳定性。团队以〈Synergy of Ion Doping and Spiral Array Architecture on Ti2Nb10O29: A New Way to Achieve High‐Power Electrodes〉为题写成论文总结研究成果，并于《Advanced Functional Materials》发表。刘博士是该论文的共同通讯作者之一，朱贺博士为论文共同第一作者。
刘博士的另一项相关研究发现，螺旋阵列设计结合金属离子掺杂策略，可以提升钛铌氧负极高倍率储锂性能。（图片由朱贺博士提供）
另外，刘博士亦与广东工业大学的李成超教授等研究人员合作，早前设计出一种溶液燃烧法，能快速合成另一款微米级的铌基负极材料（Nb14W3O44）。相对于一般的纳米化策略，微米级的电极材料更具商业实用性。实验结果表明，材料具有优异的循环稳定性和快速充放电能力。同时，以这种材料作为负极与商业LiFePO4配对后，组装的全电池可以稳定循环1000圈。研究成果以〈Achieving Ultrahigh‐Rate and High‐Safety Li+ Storage Based on Interconnected Tunnel Structure in Micro‐Size Niobium Tungsten Oxides〉为题于《Advanced Materials》上发表。刘博士与李成超教授是该论文的共同通讯作者，朱贺博士为论文共同第一作者。
电池正极材料具更大商业价值
刘博士是钻研锂电池材料的专家，2018年至今已经发表约30篇论文。虽然上述三项研究成果都是涉及负极材料，但其实刘博士最专长的是正极材料。而他曾经与华为合作，将最为普遍应用的商业钴酸锂材料的容量提高，他形容为“具有非常高的商业价值”，因为“正极材料对制作电池更加有用”。他现正努力研究以下三款材料：三元高镍正极材料、富锂锰基正极材料以及高压钴酸锂正极材料，希望早日取得重大成果。
(来源：CityU_Research公众号)
