加拿大滑鐵盧大學(xué) 鋅空氣電池第一人 陳忠偉博士
近日，加拿大滑鐵盧大學(xué)應(yīng)用納米材料與清潔能源實驗室(Applied Nanomaterials & Clean Energy Laboratory)陳忠偉教授的科研團隊協(xié)同WATTECH POWER INC.(加拿大滑鐵盧大學(xué)科技公司)成功開發(fā)了一種石墨烯硅基鋰電池技術(shù)，這項技術(shù)采用55%以上的硅材料作為負極活性材料，硫摻雜的石墨烯以及聚丙烯腈作為輔助，通過簡單的高溫處理，實現(xiàn)電極微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑成型，其內(nèi)部各材料間的相互協(xié)同效應(yīng)解決了硅材料的體積膨脹，電導(dǎo)率低等問題，所測試的電化學(xué)性能與目前商業(yè)化電池相比，比容量提高了6-7倍，循環(huán)壽命達到2200次以上。
日前，此項研究成果已經(jīng)在頂級科學(xué)期刊《自然通訊》(Nature Communications)上發(fā)表。在文中，對硅基電極微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑成型以及其內(nèi)部的協(xié)同效應(yīng)如何發(fā)揮作用，作了詳細地闡釋。
由硅納米顆粒、硫摻雜的石墨烯以及聚丙烯腈混合材料涂覆后的負極極片經(jīng)高溫處理后，硅會與周圍硫化石墨烯中的硫以共價鍵的相互作用被相對固定到一個位置，而聚丙烯腈將會進行環(huán)化反應(yīng)形成一個含氮的穩(wěn)定六圓環(huán)結(jié)構(gòu)的石墨化碳。如此，通過熱處理，一個穩(wěn)定的原子尺度的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑成型;其中，一方面，硅通過共價作用被以石墨烯納米片層所組成的支架所保護，另一方面，石墨化的聚丙烯腈形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進一步加強了對硅穩(wěn)定的防護。同時，由于有石墨烯和石墨化碳的存在，這種穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)體也顯示絕佳的導(dǎo)電性。以上結(jié)構(gòu)的形成，在論文中結(jié)合一系列的實驗表征手段得到了詳細地論證，例如，用密度泛函計算了硅與硫化石墨烯的結(jié)合力;用x射線光電子能譜確認了結(jié)構(gòu)體的元素分布和組成等。
正是由于這種電極微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑成型，使得電極在充放電過程中硅的體積膨脹能夠被固定到一定的空間范圍之內(nèi)，電極結(jié)構(gòu)不會被破壞，確保了電極能夠到達2000次的循環(huán)壽命;另外，此結(jié)構(gòu)體高的電子和鋰離子傳導(dǎo)性也保證了硅材料容量的正常發(fā)揮，即在0.1A g-1電流循環(huán)100次，整體電極的平均容量達到2750mAh/g-1;在更高倍率2 A g-1循環(huán)2275次，容量依然能夠保持在1000mAh/g-1以上。
此項技術(shù)對電極使用了簡單的熱處理，這一創(chuàng)新解決了長久以來困擾鋰電材料領(lǐng)域的由于硅材料體積脹縮導(dǎo)致其無法應(yīng)用的全球性技術(shù)難題，因此此項技術(shù)一經(jīng)推出，便獲得2015年度RD100提名大獎，獲得業(yè)界人士認可，擁有高能量長壽命的真正的硅基鋰離子電池指日可待。可喜的是，這次重大的科學(xué)突破工藝操作上簡單易行，而且在成本上，由于硅高比容量，是目前商業(yè)化石墨電極實際比容量的3-7倍，據(jù)此，相同容量的硅基鋰離子電池中硅的用量約是傳統(tǒng)鋰離子電池中石墨用量的1/7-1/3，而且隨著太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硅材料產(chǎn)能水平的提升，這使得整體硅基電池的成本與目前商業(yè)化鋰離子電池基本持平甚至還要低于。
根據(jù)現(xiàn)行研發(fā)進度，此硅基鋰離子電池能夠滿足商業(yè)化的能量型鋰離子電池的需求，如消費類電子產(chǎn)品手機筆記本以及可穿戴電子設(shè)備等。此類產(chǎn)品要求電池具有高的能量密度，和較穩(wěn)定的循環(huán)壽命。另外，根據(jù)目前測試，更高倍率的充放電，如2C，將不會對硅基材料以及整個電極的結(jié)構(gòu)造成破壞。這樣，此硅基鋰離子電池在要求高倍率充放電的領(lǐng)域(如電動汽車，電動工具等)的應(yīng)用也即將實現(xiàn)。
目前，陳忠偉教授與WATTECH POWER INC.(滑鐵盧大學(xué)科技公司)共同攜手開發(fā)此技術(shù)，即將進入中試階段，據(jù)其保守估計，此硅基鋰離子電池將于2016年下半年進入市場。
陳忠偉博士現(xiàn)為加拿大國家首席科學(xué)家(Canada Research Chair),Waterloo大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院教授，納米技術(shù)研究生主任，納米應(yīng)用材料與新能源中心主任。2008年畢業(yè)于美國加州大學(xué)濱河分校化學(xué)與環(huán)境工程獲博士學(xué)位，并獲加州大學(xué)校長博士論文獎學(xué)金(Chancellor's Dissertation Fellowship)在美國Los Alamos國家實驗室從事燃料電池研究工作。現(xiàn)致力于固體高分子膜燃料電池、鋅-空電池, 鋅-鋰液流電池和鋰離子電池的先進納米電極材料的研究開發(fā)，其研究領(lǐng)域包括非貴金屬催化劑、碳納米管、石墨烯、金屬納米管、納米線以及復(fù)合膜等。目前以發(fā)表同行評審(peer-reviewed)論文130多篇包括Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Energy & Environmental Science，被引用10，000多次，H因子43。榮獲2011年滑鐵盧大學(xué)最佳工程研究優(yōu)秀獎， 2012年安大略省政府頒發(fā)的早期研究員稱號，2014年加拿大科學(xué)和工程基金委Discovery Accelerator Supplement Award，2014年獲加拿大國家首席科學(xué)家， 2015陳忠偉教授的項目“Advanced Si Electrodes for Next Generation High-Energy Lithium-Ion Batteries”入圍全球百大科技獎名單(R&D 100 Awards Finalist; http://www.rd100awards.com/)。
陳忠偉教授實驗室主要從事新型、高效、低成本納米材料，燃料電池、鋅-空電池和鋰離子電池納米材料技術(shù)的研發(fā)。到目前為止陳忠偉教授共領(lǐng)導(dǎo)獲得超過一千萬美元的科研資助包括美國能源部(DOE-Energy Efficiency and Renewable Energy)資助的燃料電池和電池項目。同時期課題組還和美國阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)、加拿大國家研究院燃料電池創(chuàng)新研究所(NRC Institute for Fuel Cell Innovation)、美國通用汽車(GM)和加拿大巴拉得動力公司(Ballard Power System Inc.)建立了非常有效的長期的合作關(guān)系。
