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锂电池负极材料和碳纳米技术的研究相当活跃

时间:2016-05-27 09:27来源:科技日报 作者:吴守帅
点击: 次
     
     日本东北大学和东京大学的一个联合研究小组首次用家用防虫剂原料——大环状有机分子萘，开发出一种全固体锂离子电池的负电极材料。用这种新材料（CNAP）制成的负极电容量比石墨电极高两倍，且经过65次冲放电后仍能保持原来的大容量状态。
        可充电锂离子电池已成为生活中不可缺少的储能技术，电解质溶液的选择电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者能与电极产物发生反应。但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，左右两个容器中的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子。如在铜一锌一硫酸铜构成的原电池中，负极金属锌浸泡在含有 Zn2+“的电解质溶液中，而正极铜浸泡在含有Cu2+的溶液中。
        电极材料的选择在原电池中，选择较活泼的金属或还原性较强的物质作为负极，较不活泼的金属或能导电的非金属或氧化性较强的物质作为正极。一般，原电池的负极能够与电解质溶液反应，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料(也可以是还原性较强的非金属材料如H2、CH4等)。 由于市场需求巨大，各国研究者争相开发锂离子电池的基础材料，而负电极材料尤其受到重视。
         石墨以其重量轻、容量大的特点，成为负电极材料的首选。最近，以石墨烯和碳纳米管为代表的纳米碳新材料的出现，使负电极碳素材料的电容量扩容了2倍至3倍。但纳米碳是各种结构体的混合物，青年集团已经成功研发出了拥有自主知识产权的第三代“纳米碳锂电池”核心技术，并已成功运用到公交领域。新车也有望搭载该技术，预计将具有快速充电功能，单次续航里程达200-300公里。
        近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状纳米碳材料纳米碳材料、棒状、桶状等层出不穷。2000年德国和美国科学家还制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子。根据理论推算，包含20个碳原子仅是由正五边形构成的，C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种，考虑到原于间结合的角度、力度等问题，人们一直认为这类分子很不稳定，难以存在。德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。
        联合研究小组开发出的CNAP，是通过在分子中央部分开纳米级小孔，使大环状有机分子成为锂离子电池的大容量电极材料。目前尚没有使用大环状有机分子作为锂离子电池负极的先例。研究小组还发现，制作大容量锂电池的秘密在于分子材料内加工的细孔，根据这一发现，研究人员使原本用来作防虫剂的萘经化学处理后转换为大容量电池材料。
        该研究成果是日本“元素战略”的一环，得到了很高评价。研究小组今后将对各种碳材料的原子、分子进行精密设计，以开发出更好的材料。该研究成果刊载在国际学术杂志《小》（《Small》）上。（记者陈超）
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