讓鋰離子跑得更快，跑得更遠！走近電池材料微觀世界中的建構者

本篇報道圍繞2018年度上海市自然科學獎一等獎專案“富碳奈米材料的結構調控及其化學儲能行為研究”展開，該獎項由上海理工大學材料科學與工程學院楊俊和教授領銜科研團隊獲得。

電池就是將化學能轉化成電能的裝置。

1799年，義大利物理學家伏特把一塊鋅板和一塊銀板浸在鹽水裡，發現連線兩塊金屬的導線中有電流透過。於是，他就把許多鋅片與銀片之間墊上浸透鹽水的絨布或紙片，平疊起來。用手觸控兩端時，會感到強烈的電流刺激。伏特用這種方法成功地製成了世界上第一個電池——“伏特電堆”。

1890年愛迪生又發明了可充電的鐵鎳電池。

今天電池已經融入了我們的日常生活中，電池的種類也有很多，從使用次數上區分，有一次電池和充電電池。充電電池從電池的正負極材料上來區分，有鉛蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池和鋰硫電池等。

電池的儲能效能與使用材料對於工作離子的容納程度有密切關聯

，今天，我們手中的電池越來越小，但是效能卻越來越強大，最直觀的感受就是我們的手機變得越來越薄，電池越來越小，但是待機時長卻大大延長。

而隨著新能源電動汽車的普及，續航里程也成為阻礙電動汽車發展的問題之一，市場迫切需要續航里程長、迴圈次數多又足夠安全的“超級電池”。

上海理工大學材料學院楊俊和教授團隊就是電池微觀結構的高超建構者，他們打造的富碳奈米儲能材料，可以使得離子在電池中跑得更快，也跑得更遠，為“超級電池”的設計與製備提供了理論支撐。

一個電池就是一個封閉小跑道

電池主要由四個部分組成，分別是電池的正負極、電解質、隔離正負極的隔膜以及外層的外殼組成。

以鋰離子電池為例，電池充電後，工作離子（鋰離子）獲得了一定的電勢能，存放在負極材料中，就像是海綿吸足了水。使用時，鋰離子從電池的負極向正極飛奔並對外放電，如此充放電迴圈反覆在電池內部的跑道上來回地奔跑著。

楊俊和教授團隊中的鄭時有教授告訴記者，電池的效能從某種意義上說，就是電池內部跑道中鋰離子“跑步”的速度和“跑步”的長度（圈數）。有些電池正極和負極材料看似很不錯，比如矽材料，離子在第一圈飛奔時表現良好，但是到了第二圈和第三圈，就開始乏力，也就是迴圈能力偏弱，背後的原因其實就是鋰離子飛奔對於原始的材料結構造成了衝擊，微觀材料抵擋不住巨大的受力，開始崩塌和變形，阻礙了下一輪鋰離子的飛奔，影響了電池的綜合性能。

所以科學家需要對於正負極的材料進行研究，對各種結構進行嘗試，希望構建出一個完美的鋰離子跑道——

這個跑道的結構堅固，導電性非常好，在一定電勢差下，單位空間的鋰離子數量不僅可以大幅度增多，而且可以跑得更快，也跑得更遠。

碳材料有奇效

碳材料就是提高電池正負極效能的關鍵材料。楊俊和介紹說，自古以來，碳材料就是非常神奇的材料，它是人類使用的最古老材料，又是當今社會發展最快的新型材料之一。

眾所周知，單質碳在自然界有三種不同的形態：

一種是閃爍著各色光芒的金剛石，一種是灰黑色的石墨，一種是黑褐色的煤炭。

煤自古以來就是重要的燃料。在世界上中國人用煤最早，有悠久的歷史。從文獻記載和考古發掘來看，至遲在漢代就已用煤了。

近30年來，對於碳奈米管、富勒烯、石墨烯等新型碳材料的科研突破，更是接連讓相關科學家獲得諾貝爾獎，新型碳材料的研究已經成為當下熱門的前沿科研領域。

最早的乾電池，到正在快速發展的鋰離子電池、超級電容器和其他新型儲能器件，無不把碳作為其關鍵材料之一。傳統鋰離子電池的負極材料使用的就是普通石墨。之所以如此，是因為碳材料具有的結構多樣性和適合於多尺度精準調控，高導電、高比表面等優點。

而所謂富碳材料是以碳材料為主同時加入其他元素的材料，搭建出材料的“骨架”。

鄭時有舉例說，比如現在很熱門的鋰硫電池，我們知道硫的理論容量高達每克1600毫安時，現在的電池材料的容量不到1/10，但是硫元素天然並不導電，而且容易發生多級化學反應，溶入電解液中，要依靠碳和氮等其他元素進行一定的配比，搭建出一定的骨架，來提高鋰硫電池的導電性和結構的穩定。

雕刻出適合鋰離子奔跑的結構

透過十年的持續研究，楊俊和的專案組取得了不少科學進展。他們雕刻出了不少適合鋰離子奔跑的結構，也找到碳元素和其他元素之間的優良配比，為各種高效能電池的打造奠定了基礎。

比如，電化學電池的電極材料中，需要有一定的“孔”，能在充電時讓鋰離子透過。這些孔應該是大是小，是圓是方？孔如何有序、有尺度地分佈？

對此，研究團隊提出了π-π共軛誘導和原子摻雜策略，證明了π-π共軛誘導和碳-氮共價鍵協同作用是高強度三維組裝體形成的內在原因，以石墨烯為基本結構單元，製備出低密度高強度的多級孔結構石墨烯基三維碳材料，而這種結構正是儲能材料具有迴圈穩定性的基礎，也就是讓鋰離子能夠長時間保持高速度飛奔的基礎。

孔結構和表面基團對材料的電化學效能產生重要影響

此外，團隊揭示了孔結構與表面化學對硫穩定作用的基本規律，發展了基於奈米限域和化學鍵合的策略，這解決了鋰硫電池中硫的導電性差、多硫化物在電解質中的溶解等關鍵問題，開闢了高效能安全鋰硫電池的新途徑。這一發現被國際著名鋰電池科學家、美國奧斯汀大學曼迪亞姆（Manthiram）教授評價為“發展了最接近實用化生產硫化鋰/碳複合材料的途徑”。

而在碳與其他材料的匹配模式上，團隊也取得了很大突破，他們提出了碳與活性組元維度匹配複合新思路及效能最佳化策略，製備出效能優異的電池負極材料。由此，他們為新型富碳奈米複合儲能材料的製備提供了一套完整的理論，促進了該類材料在儲能電池和超級電容器領域的應用研究和相關學科的發展。

解決了大量電池生產中的瓶頸問題

值得一提的是，上理工團隊的實踐不僅僅在理論層面，他們的成果已經應用在了電池產業中。

今天絕大多數的商業鋰離子電池都使用石墨作為負極材料。但是，石墨負極的鋰離子容納量已經接近其理論值，很難再有提升的空間。能不能找到一種高比容量負極材料來替代石墨呢？

楊俊和告訴記者，為了解決這個問題，他們創造性地構建出一種奈米尺寸新型結構，在微觀視野下，他們讓石墨烯和硫化錫一層一層地、“面對面”地貼合在一起，合成片片相隔式的二維複合電極材料，不僅可以有效減小材料內部電荷的傳輸阻力，而且剛性的硫化錫可以彌補柔性石墨烯的缺點，剛柔並濟二者結合可以形成一個穩定的結構，能更好地適應充放電過程中材料的體積變化與應力變化，讓鋰離子飛奔地更加順暢。

二維“面-面”結構的石墨烯/SnS^2鋰離子電池負極材料

上理工團隊在其他新型儲能器件的產業化方面，除了前文所述發展最接近實用化生產的硫化鋰/碳複合材料正極，為鋰硫電池的產業化奠定基礎以外，在功率密度最高的二次化學儲能器件電化學電容器或超級電容器方面，他們創造性地提出基於理想結構的垂直排列碳奈米管載體，製備垂直碳奈米管/氧化物奈米複合電極，以獲得高離子容納度和良好的迴圈穩定性，推進了超級電容器的產業化程序。

目前，該研究團隊正與一批國內外企業開展產學研合作，相信在不久的將來，人們可以在電動汽車、儲能電站、電子裝置等多個領域看到富碳奈米儲能材料的身影，它們將為人類的能源使用發揮出巨大的作用。

“世界科學”聯合“賽先生”微信公號，在上海市科學技術委員會資助下，開闢“走近科學”欄目，對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進行科普化報道。