Grupo de Materiales y Dispositivos de Nuevas Energías de la Universidad de Pekín: avances importantes en el área de investigación del polo negativo de la batería de litio

Las baterías de iones de litio avanzadas con ventajas excepcionales de almacenamiento de energía en términos de capacidad, seguridad y estabilidad se han convertido en una parte indispensable del trabajo y la vida diaria de las personas. Se han utilizado ampliamente en productos electrónicos portátiles, vehículos eléctricos e incluso en el pico de la red eléctrica y otros sistemas de energía secundarios. Sin embargo, dado que se utilizó ampliamente en la década de 1990, la capacidad específica de las baterías de iones de litio no ha aumentado significativamente, por lo que es cada vez más incapaz de cumplir con los requisitos de los teléfonos inteligentes para un tiempo de espera prolongado, los vehículos eléctricos para recorridos más largos y el red para almacenamiento de energía pico. La razón fundamental de este dilema es que la capacidad del material del electrodo de las baterías de litio es difícil de superar. Por ejemplo, los materiales comerciales de electrodos negativos solo pueden utilizar materiales a base de carbono de baja capacidad específica con una capacidad teórica de 372 mAh / g. Aunque los estudios han demostrado que elementos como Si, Ge y Sn tienen una alta capacidad específica como polos negativos, están limitados por el rápido deterioro de la capacidad después de múltiples usos y son difíciles de aplicar en la práctica. En los últimos años, los materiales de los electrodos negativos de SnO2 han recibido una gran atención por sus propiedades cíclicas superiores. Su capacidad teórica (783 mAh / g) ha alcanzado el doble del electrodo negativo del grafito. Sin embargo, el SnO2 existente y los materiales de los electrodos negativos elementales no pueden superar el cuello de botella de la expansión volumétrica durante el proceso electroquímico de las baterías de iones de litio, y la estabilidad cíclica es difícil de satisfacer las necesidades de la aplicación. Por lo tanto, es de gran importancia cómo desarrollar un nuevo material de electrodo de litio de SnO2 de alta capacidad y estabilidad cíclica.

Recientemente, el Grupo de Materiales y Dispositivos de Nuevas Energías de la Escuela de Química e Ingeniería Molecular de la Universidad de Pekín y el Instituto de Silicato de la Academia de Ciencias de China, la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Tecnología de Beijing han investigado conjuntamente un dióxido de estaño negro. nanómetro basado en tecnología de preparación original. El material, que tiene una capacidad reversible de 1340 mAh / g como electrodo negativo de litio, es muy superior al límite de capacidad teórico de SnO2 (783 mAh / g). El material es más excelente en estabilidad de ciclo y rendimiento de velocidad después de combinarse con grafeno. La capacidad no se atenúa después de circular 100 ciclos a una densidad de corriente de 0,2 A / g, manteniendo una capacidad de 950 mAh / g; una gran corriente a 2 A / g. Se mantiene a una capacidad de 700 mAh / g.

A través de una investigación en profundidad y detallada, los investigadores se dieron cuenta de que el nuevo y exclusivo material de dióxido de estaño negro es diferente del dióxido de estaño existente, tiene las características de excelente conductividad electrónica y abundantes vacantes de oxígeno, e induce una reacción de reducción isotrópica de materiales nanoactivos. Así, se formaron nanoestructuras compuestas microscópicas altamente termodinámicas y altamente estables de Sn y Li2O uniformemente dispersas, que finalmente resolvieron el problema científico de la aglomeración de Sn metálico durante el proceso del ciclo. Los investigadores se sorprendieron al descubrir que esta nanoestructura compuesta microscópica especial puede garantizar que el estaño metálico sea completamente reversible oxidado a dióxido de estaño en la reacción electroquímica de almacenamiento de energía. Este fenómeno y mecanismo no han sido reportados en la literatura. Basado en el nuevo mecanismo de almacenamiento, la capacidad teórica de los materiales de los electrodos negativos de dióxido de estaño se ha incrementado de los 783 mAh / ga 1494 mAh / g originales del nuevo mecanismo. El dióxido de estaño negro inventado por los investigadores proporciona una nueva idea para el diseño y síntesis de otros nuevos tipos de materiales electronegativos, y también tiene el valor de aplicación industrial de los materiales electronegativos de litio de alta capacidad.

Los resultados del estudio se publicaron el 21 de abril de 2017 como "ArbustandCondutiveBlackTinOxideNanotructure-IonBatteriesPossible", publicado el 21 de abril de 2017. El primer estudiante graduado del International Top Science Journal, Dongwujie, y el primer estudiante graduado de la Academia China de Química. Sciences, Xujijian (DOI: 1002/2017) y la Academia China de Ciencias Químicas fueron los primeros estudiantes graduados de la Universidad de Pekín. El profesor Huangfuqiang es el autor de la comunicación. El proyecto cuenta con el apoyo del plan nacional clave de investigación y desarrollo básico, el Comité de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales, el Comité Municipal de Ciencia y Tecnología de Shanghai y los principales proyectos de investigación de la Academia de Ciencias de China.

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