让锂离子跑得更快，跑得更远！—走近电池材料微观世界中的建构者

吴苡婷

电池就是将化学能转化成电能的装置。

1799年，意大利物理学家伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。于是，他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片平叠起来。用手触摸两端时，会感到强烈的电流刺激。伏特用这种方法成功地制成了世界上第一个电池——“伏特电堆”。1890年爱迪生又发明了可充电的铁镍电池。

今天电池已经融入了我们的日常生活。电池的种类也有很多，从使用次数上区分，有一次性电池和充电电池。充电电池从电池的正负极材料上来区分，有铅蓄电池、镍氢电池、锂离子电池和锂硫电池等。

电池的储能性能与使用材料对于工作离子的容纳程度有密切关联。今天，我们手中的电池越来越小，但是性能却越来越强大，最直观的感受就是我们的手机变得越来越薄，电池越来越小，但是待机时长却大大延长。

而随着新能源电动汽车的普及，续航里程也成为阻碍电动汽车发展的问题之一。市场迫切需要续航里程长、循环次数多又足够安全的“超级电池”。

上海理工大学材料学院杨俊和教授团队就是电池微观结构的高超建构者。他们打造的富碳纳米储能材料，可以使得离子在电池中跑得更快，也跑得更远，为“超级电池”的设计与制备提供了理论支撑。

一个电池就是一个封闭小跑道

电池主要由四个部分组成，分别是电池的正负极、电解质、隔离正负极的隔膜以及外层的外壳。

以锂离子电池为例，电池充电后，工作离子（锂离子）获得了一定的电势能，存放在负极材料中，就像是海绵吸足了水。使用时，锂离子从电池的负极向正极飞奔并对外放电，如此充放电循环反复在电池内部的跑道上来回地奔跑着。

杨俊和教授团队中的郑时有教授表示，电池的性能从某种意义上说，就是电池内部跑道中锂离子“跑步”的速度和“跑步”的长度（圈数）。有些电池正极和负极材料看似很不错，比如硅材料，离子在第一圈飞奔时表现良好，但是到了第二圈和第三圈，就开始乏力，也就是循环能力偏弱，背后的原因其实就是锂离子飞奔对于原始的材料结构造成了冲击，微观材料抵挡不住巨大的受力，开始崩塌和变形，阻碍了下一轮锂离子的飞奔，进而影响了电池的综合性能。

所以科学家需要对正负极的材料进行研究，对各种结构进行尝试，希望构建出一个完美的锂离子跑道——这个跑道的结构坚固，则导电性非常好；在一定电势差下，单位空间的锂离子数量不仅可以大幅度增多，而且可以跑得更快，也跑得更远。

碳材料有奇效

碳材料就是提高电池正负极性能的关键材料。杨俊和介绍说，自古以来，碳材料就是非常神奇的材料，它是人类使用的最古老材料，又是当今社会发展最快的新型材料之一。

众所周知，单质碳在自然界有三种不同的形态：一种是闪烁着各色光芒的金刚石，一种是灰黑色的石墨，一种是黑褐色的煤炭。煤自古以来就是重要的燃料。在世界上中国人用煤最早，有悠久的历史。从文献记载和考古发掘来看，至迟在汉代就已用煤了。近30年来，对于碳纳米管、富勒烯、石墨烯等新型碳材料的科研突破，更是接连让相关科学家获得诺贝尔奖，新型碳材料的研究已经成为当下热门的前沿科研领域。

从最早的干电池，到正在快速发展的锂离子电池、超级电容器和其他新型储能器件，无不把碳作为其关键材料之一。传统锂离子电池的负极材料使用的就是普通石墨。之所以如此，是因为碳材料具有结构多样性、多尺度精准调控、高导电、高比表面等优点。

而所谓富碳材料是以碳材料为主的同时加入其他元素的材料，搭建出材料的“骨架”。

郑时有举例说，比如现在很热门的锂硫电池，我们知道硫的理论容量高达每克1 600毫安时，现在的电池材料的容量不到1/10，但是硫元素天然并不导电，而且容易发生多级化学反应，溶入电解液中，要依靠碳和氮等其他元素进行一定的配比，搭建出一定的骨架，来提高锂硫电池的导电性和结构的稳定。

雕刻出适合锂离子奔跑的结构

通过十年的持续研究，杨俊和的项目组取得了不少科学进展。他们雕刻出不少适合锂离子奔跑的结构，也找到碳元素和其他元素之间的优良配比，为各种高性能电池的打造奠定了基础。比如，电化学电池的电极材料中，需要有一定的“孔”，能在充电时让锂离子通过。这些孔应该是大是小，是圆是方？孔如何有序、有尺度地分布？

对此，研究团队提出了π-π共轭诱导和原子掺杂策略，证明了π-π共轭诱导和碳-氮共价键协同作用是高强度三维组装体形成的内在原因，以石墨烯为基本结构单元，制备出低密度高强度的多级孔结构石墨烯基三维碳材料，而这种结构正是储能材料具有循环稳定性的基础，也就是让锂离子能够长时间保持高速度飞奔的基础。

此外，团队揭示了孔结构与表面化学对硫稳定作用的基本规律，发展了基于纳米限域和化学键合的策略，这解决了锂硫电池中硫的导电性差、多硫化物在电解质中的溶解等关键问题，开辟了高性能安全锂硫电池的新途径。这一发现被国际著名锂电池科学家、美国奥斯汀大学曼迪亚姆（Manthiram）教授评价为“发展了最接近实用化生产硫化锂/碳复合材料的途径”。

二维“面-面”结构的石墨烯SnS2锂离子电池负极材料

而在碳与其他材料的匹配模式上，团队也取得了很大突破，他们提出了碳与活性组元维度匹配复合新思路及性能优化策略，制备出性能优异的电池负极材料。由此，他们为新型富碳纳米复合储能材料的制备提供了一套完整的理论，促进了该类材料在储能电池和超级电容器领域的应用研究和相关学科的发展。

解决了大量电池生产中的瓶颈问题

值得一提的是，上理工团队的实践不仅仅在理论层面，他们的成果已经应用在了电池产业中。

今天绝大多数的商业锂离子电池都使用石墨作为负极材料。但是，石墨负极的锂离子容纳量已经接近其理论值，很难再有提升的空间。能不能找到一种高比容量负极材料来替代石墨呢？

杨俊和告诉记者，为了解决这个问题，他们创造性地构建出一种纳米尺寸新型结构。在微观视野下，他们让石墨烯和硫化锡一层一层地、“面对面”地贴合在一起，合成片片相隔式的二维复合电极材料，不仅可以有效减小材料内部电荷的传输阻力，而且刚性的硫化锡可以弥补柔性石墨烯的缺点，达到刚柔并济的效果。二者结合可以形成一个稳定的结构，能更好地适应充放电过程中材料的体积变化与应力变化，让锂离子飞奔得更加顺畅。

上理工团队在其他新型储能器件的产业化方面，除了前文所述发展最接近实用化生产的硫化锂/碳复合材料正极，为锂硫电池的产业化奠定基础以外，在功率密度最高的二次化学储能器件电化学电容器或超级电容器方面，他们创造性地提出基于理想结构的垂直排列碳纳米管载体，制备垂直碳纳米管/氧化物纳米复合电极，以获得高离子容纳度和良好的循环稳定性，推进了超级电容器的产业化进程。

目前，该研究团队正与一批国内外企业开展产学研合作，相信在不久的将来，人们可以在电动汽车、储能电站、电子设备等多个领域看到富碳纳米储能材料的身影，它们将为人类的能源使用发挥出巨大的作用。