隨著便攜式電子設(shè)備和電動汽車市場規(guī)模的快速發(fā)展，人們對于高能量密度、低成本二次電池的需求日益迫切。目前，商用鋰離子電池多采用石墨類負(fù)極材料，其理論比容量僅為372 mAh/g，且壓實密度較低，限制了鋰離子電池能量密度的進(jìn)一步提升。通過與鋰離子的合金化/去合金化反應(yīng)，廉價金屬負(fù)極通常具有更大的比容量，有望獲得更高的能量密度。其中鋁的理論比容量高達(dá)2234 mAh/g （Li9Al4）, 且儲量豐富，價格低廉。然而，鋁負(fù)極在電池反應(yīng)過程中會產(chǎn)生一定的體積膨脹，導(dǎo)致材料粉化，從而影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
基于上述考慮，唐永炳研究員及其團(tuán)隊成員張帆、仝雪峰等人成功研發(fā)出一種具有核殼結(jié)構(gòu)的鋁@碳納米球復(fù)合材料，并將其作為負(fù)極材料，天然石墨作為正極材料，成功研發(fā)出一種新型高效、低成本雙離子二次電池。相對于傳統(tǒng)鋰離子電池，該新型二次儲能電池具有更高的工作電壓（平均放電電壓為~4.2 V），且環(huán)境友好。此外，由于核殼納米結(jié)構(gòu)有效緩解了鋁負(fù)極在合金化過程中產(chǎn)生的體積膨脹，并獲得了高度穩(wěn)定的SEI膜，使得該電池的循環(huán)穩(wěn)定性大幅提升。研究結(jié)果表明，該新型電池在15C充放電速率下（4分鐘充放電），循環(huán)1000圈后容量保持率高達(dá)94.6%；此外，即使在功率密度高達(dá)3701 W/kg時，該電池的能量密度仍有148 Wh/kg，遠(yuǎn)高于大多數(shù)商用的鋰離子電池。該成果對廉價金屬負(fù)極材料的改性研究具有重要的指導(dǎo)意義，有望促進(jìn)基于廉價金屬負(fù)極的高能量、低成本二次電池的快速發(fā)展。
(a) 核殼結(jié)構(gòu)鋁@碳納米復(fù)合材料的設(shè)計、制備示意圖；(b)所制備雙離子電池在15C充放電速度下的長循環(huán)穩(wěn)定性曲線。
