日本東北大學(xué)與東京大學(xué)組成的研究組于2016年5月14日宣布，開發(fā)出了全固態(tài)鋰離子電池的新型負(fù)極材料“穿孔石墨烯分子(CNAP)”。這種材料可實(shí)現(xiàn)達(dá)到通用的石墨電極2倍以上的電容量，在充放電65次之后仍然能夠維持原本的容量。

長期以來，鋰電池的負(fù)極材料一直使用重量輕、電容量大的石墨。最近，石墨烯、碳納米管等納米碳作為新型碳材料出現(xiàn)在市場上，使電池容量擴(kuò)大到之前的2～3倍成為了可能。但納米碳是結(jié)構(gòu)不唯一的復(fù)雜混合物，無法解明大容量化的原理和方針。因此，開發(fā)具有部分納米碳結(jié)構(gòu)的分子性物質(zhì)成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。

此次開發(fā)的穿孔石墨烯分子是分子中央有納米級微孔的大環(huán)有機(jī)分子。以這種分子的固體物質(zhì)作為電極制造電池并進(jìn)行檢測的結(jié)果證實(shí)，這種分子是一種優(yōu)秀的電極材料。此次研究的著眼點(diǎn)是開發(fā)備受期待的新一代電池，即全固態(tài)電池，沒有采用常規(guī)電池使用的液體電解質(zhì)，而是采用固體電解質(zhì)。使用鋰離子傳導(dǎo)性高而且穩(wěn)定的絡(luò)合氫化物作為固體電解質(zhì)，為這次的新發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了契機(jī)。

使用新負(fù)極分子材料的全固態(tài)鋰電池 及其截面的電子顯微鏡圖

新負(fù)電極分子材料的運(yùn)動模式圖

另外，此次研究還發(fā)現(xiàn)，使用粉末X射線衍射的方法，穿孔石墨烯分子的固體會形成與石墨相似的層狀結(jié)構(gòu)，并且可以使中央分子的微孔排成一線，形成微細(xì)、貫通的微孔結(jié)構(gòu)。在石墨中，鋰只在層疊起來的碳層的間隙中累積，而在穿孔石墨烯分子中，鋰在納米級的間隙和微孔兩個地方累積，因此可以擴(kuò)大容量。穿孔石墨烯分子可以使用非常普遍、產(chǎn)量很大的有機(jī)化合物“萘”制造。

此次研究的相關(guān)成果已于5月13日(中歐夏令時)在國際學(xué)術(shù)雜志《Small》上發(fā)表。發(fā)布材料科學(xué)新聞的網(wǎng)站“MaterialsViews.com”也將發(fā)文予以介紹。