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          黄富强课题组开发新型硼基锂电负极材料

          储能问题是能源问题的重要组成部分,日益增长的储能需求对于传统锂离子电池提出了更高容量,更高功率,更长稳定性以及更廉价的要求。商用负极材料目前采用理论容量为372 mA h/g的低比容量碳基材料,是限制锂离子电池性能提升的最大瓶颈。尽管研究表明,SiGeSn等单质作为负极具有很高的比容量,但是受限于多次使用后的容量快速衰减而难以实际应用。硼是除了剧毒的铍之外能与锂形成合金的最轻的元素,通过理论计算和模拟已经证明Li5B团簇可以稳定存在,由此B的理论容量可达12395 mA h/g,是理论容量最大的锂电负极材料。但是硼基材料一直就不是锂电负极的研究热点,因为太高的反应势垒使得硼很难被活化,表现出来的容量极低。而对于三氧化二硼而言,虽然理论容量也达到6152 mA h/g,远高于Si4200 mA h/g,但是由于其电子电导率极差,几乎没有电化学活性。因此,虽然蕴藏巨大潜力,硼基材料通常被认为是不可能成为高性能的锂电负极材料的。

          但是,“挑战不可能”是北京大学一以贯之的内在气质。近日,北京大学化学与分子工程学院黄富强课题组开发了一种新型的Fe基质中嵌入B的材料,利用高导电的Fe基质激发了B的储锂潜能,取得了优异的性能。研究者首先设计合成了Fe2B间隙化合物,其中包含一维硼链结构和高导电的Fe主体网络,该化合物表现出与纯硼截然不同的电化学性质,1400次循环后基于B计算的容量可达10700 mA h/g。研究者认为高导电的Fe基质和高分散的一维硼链结构首先激活了部分B的储锂潜能,并且在循环反应过程中Fe基质不断将硼链分散成单原子,从而实现了更高效的储能。然而,由于间隙化合物中B的质量含量过低,材料整体容量不符合实际需求。研究者随后通过热力学计算发现B2O3与锂发生电化学反应的标准吉布斯自由能变仅为-489 kJ/mol,即发生该反应的逆反应发生仅需克服489 kJ/mol,远小于可逆负极材料Fe2O3SnO2。因此,从热力学上来讲,B2O3是可以作为锂电负极材料的,其理论容量高达6152 mA h/g。通过对材料的理性设计,研究者成功合成了B2O3/Fe复合材料。高导电的Fe基质激发了B2O3的储能潜力,并在循环过程中逐渐产生B原子分散到Fe中。这些高活性的B原子可以进一步与Li形成合金从而使得材料的容量不断升高。该材料作为锂电负极在循环250圈之后表现出高达1500 mA h/g的容量。并且由于该材料的超高振实密度2.12 g/cm3,体积比容量更是高达3180 mA h/cm3。并且在大电流下仍然保持很高的容量水平,达到目前锂电负极研究领域领先水平(图1)。该研究开拓了硼基锂电负极材料领域的先河,并且该研究体现出来的高分散和高导电的设计思路也为其他潜在的负极材料开发提供了一种新的途径,同时也极具高容量锂电负极材料的产业应用价值。



          1. 高导电B2O3/Fe复合材料电极作为锂离子电池负极的性能图,储锂反应示意图,以及该工作与文献中已报道的其他负极材料的性能对比图

              该研究成果以“Boron Embedded in Metal Iron Matrix as a Novel Anode Material of Excellent Performance”为题发表于2018711日的国际顶级材料科学期刊Advanced Materials上(https://doi.org/10.1002/adma.201801409),北京大学化学与分子工程学院研究生董武杰和赵延涛为该文的共同一作,黄富强教授为通讯作者。该项目得到国家重点研究和发展计划,上海市科学技术委员会和中国科学院主要研究项目的支持。

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