段镶锋教授团队开发出新型合金型复合电极材料丨CellPress对话科学家

为了改善人们对便携式电子设备的使用体验，满足日益增长的电动汽车和大规模储能装置的需求，我们亟需开发具有高能量密度和长循环寿命特征的新型锂离子电池。合金型电极材料（如硅、锡、氧化锡等）因具有更高的理论容量而成为目前商用石墨负极的潜在替代品。然而，合金型电极材料导电性普遍较差，而且在锂离子的嵌入-脱出过程中常常伴随巨大的体积膨胀，这两个因素导致该类材料循环性能和倍率性能较差。

针对这一挑战，加州大学洛杉矶分校的段镶峰教授、黄昱教授团队联合北京航空航天大学的郭林教授设计制备了一种三维多孔石墨烯和氧化锡的复合材料（3D-HGF/SnO2）。

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研究团队首先制备了微米尺寸的复合材料，具有超小尺寸的氧化锡纳米颗粒被封装在石墨烯片层中，可以有效缓解锂离子嵌入-脱出电极材料时因体积变化产生的应力，从而提高电极材料的循环稳定性。进一步将复合材料植入到具有多级孔道结构的三维石墨烯基底中，相互交联的石墨烯网络提供了优异的电子传递通道，多级孔道结构提供了大量用于锂离子传输的捷径，从而提高了电极材料中活性物质的利用率，提升了电池的能量密度和功率密度。同时，结构强韧的三维网络可进一步缓解高负载量情况下的体积膨胀效应，提高了电极材料的循环稳定性。研究团队首先利用多种表征手段对三维电极材料的结构和成分进行了表征分析。

研究者对3D-HGF/SnO2复合电极和利用常规涂浆方法获得的G/SnO2电极的性能进行了对比，在500 mA g-1的电流密度下，常规G/SnO2电极随着负载量的提高表现出显著的电势降低和容量损失。同时，随着负载量的提高，其倍率性能下降非常明显。而3D-HGF/SnO2电极在负载量提高的情况下表现出良好的容量保持率和倍率性能。同时，3D-HGF/SnO2电极表现出明显改善的循环稳定性。

高负载量在电极材料在性能上最直观的反映是面积容量的提升。研究者进一步对高负载量条件下3D-HGF/SnO2电极的面积容量特征进行了深入细致的分析讨论。实验结果表明：在较低的电流密度下，3D-HGF/SnO2电极的面积容量会随着负载量的增加而线性提高；在较高电流密度下，电极材料的面积容量提升相对比较缓慢。

为了进一步体现3D-HGF/SnO2电极的优势，研究者还将其面积容量性能与商用石墨负极以及已报道的典型的高理论容量负极材料（如Si和SnO2）进行了比较。3D-HGF/SnO2电极在给定的电流密度下均表现出最高的面积容量，最高可达14.5 mAh cm-2。考虑非活性的集流体在电极中占有非常大的比重时，高负载量电极的优势更加突出，这种不含粘结剂和导电剂的3D-HGF/SnO2电极表现出迄今为止最高的质量比容量。通过本项研究，高容量合金型纳米电极材料在实际的商业化进程中迈出了关键一步。

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者之一的段镶锋教授进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

作者专访

Cell Press：您认为3D-HGF/SnO2电池材料距离商业化还有多远？

段镶锋教授：经过多年的不断优化，目前已经商业化的锂离子电池电极材料的能量密度已经逼近其理论极限。进一步提升容量，需要积极发展新型电极材料。具有高理论容量的合金类型纳米结构电极材料，如纳米硅、锡、氧化锡在锂离子电池的应用上展现出非凡的潜力。但是目前实验室做出的高效纳米电极材料通常比较薄，活性材料负载量往往1 mg cm-2左右，大大低于实际电池中非活性材料如集流体等的质量（约10 mg cm-2左右），因而其高容量的潜力很难再商业电池中体现出来。提高活性材料负载量对实现新型高容量材料在商业电池中的应用非常关键，但面临很大挑：尤其是合金型电极材料的体积膨胀效应会随着负载量的提高而加剧，影响电极材料循环性能；同时，负载量的提高还会显著影响电极内部的离子和电子传输，使得电极材料中活性物质不能被充分利用，造成能量密度偏低。因此，充分发挥合金型电极材料的潜力，必须开发在高负载量条件下具有高能量密度的新型电极。

为了解决相关问题，我们设计制备了三维多孔石墨烯氧化锡（3D-HGF/SnO2）复合电极材料，实现了在高负载量的条件下电极材料仍能保持优良性能的目的，使高容量合金类型纳米电极材料离商业化更近一步。目前，我们正致力于解决制约合金类型电极材料商业化进程的其它关键问题。但是，锂离子电池是一个系统工程，除了电极材料本身，影响一种电极材料的商业化进程涉及的因素很多，例如Goodenough老先生1980年就发现钴酸锂是一种很好的正极材料，但是在1985年吉野彰发现了与之匹配的石油焦后，直到1991年索尼公司才发布了首个商业锂离子电池。不过，目前合金类型纳米电极材料已经作为性能增强剂应用到商业的石墨负极，我相信相关材料在不久的将来会对商业电池逐步产生积极作用。

Cell Press：类似石墨烯二维材料还有很多，为什么会选择石墨烯作为电极材料？

段镶锋教授：石墨烯作为电极添加材料具有一系列如高比表面，高导电性，高电化学稳定性等特性。在我们的电极材料中，石墨烯的存在更多是为了解决合金类型电极材料的体积膨胀效应以及在高负载量电极中离子和电子传输困难的目的。我们首先制备了微米尺寸的复合材料，复合材料中石墨烯可以有效缓解锂离子嵌入-脱出电极材料时因体积变化产生的应力，从而可提高电极材料的循环稳定性。我们进一步将复合材料植入到具有多级孔道结构的三维石墨烯基底中，相互交联的石墨烯网络提供了优异的电子传递通道，多级孔道结构提供了大量用于锂离子传输的捷径，从而提高了电极材料的利用率，提升了电池的能量密度和功率密度。同时，结构强韧的三维网络可以进一步缓解高载量条件下电极材料的体积膨胀效应，提高了电池的循环稳定性。

相较于其它二维材料，石墨烯相对比较成熟，制备成本也比较低，综合其它独特的优势，使其更适合应用于储能领域。我们研究组在对石墨烯的研究方面也有比较好的积累，在相关领域相继发表了多篇论文，并且申请了相关的发明专利。

Cell Press：如今石墨烯是很热门的研究领域，很多研究者都将石墨烯与其他领域研究相结合，如导热材料、电池材料等，您是怎样看待这一现象的。

段镶锋教授：石墨烯确实在电，光，热，力学等性能方面具有一系列的特性，在很多应用领域具有巨大的潜力。把石墨烯与恰当的应用领域相结合对推动石墨烯及相关领域的发展是有积极意义的。但是我认为现在的“石墨烯热”有泡沫化倾向，正如中国科学院刘忠范院士所说“我认为太热了，石墨烯被看成几乎是万能的。” 对应用研究来说，我们应该认真思考石墨烯的特性是不是确实有可能解决相关领域的核心挑战，而不是试图把石墨烯应用到任何一个领域。

Cell Press：近日，锂离子电池获得了诺奖，在后续工作中，您又有哪些想法或者建议给有志从事锂电池研究的相关人员。

段镶锋教授：我首先对获得诺贝尔化学奖的三位科学家表示祝贺，97岁的Goodenough老先生仍奋战在科研一线，对我们任何一位科研工作者来说都是一种激励。我们近期也非常有幸能和老先生在锂离子电池的方面开展了一些合作研究。今年的诺奖授予锂电池领域，是对每一位为锂离子电池从无到有、从实验室走向商业化做出贡献的研究者的认可。

在电池研究方面，在当前电极材料逼近理论容量的情况下，新材料研究显得尤其重要；另外除了材料本身，如何有效的提高电荷的界面转移与传输对实现高容量，高功率电池也会变得越来越重要。从这个方面来讲，三维结构电极材料是一个很有潜力的研究方向。电池研究作为一个非常贴近实际应用的领域，我个人觉得任何一种新材料或电极结构的发展必须要从应用角度出发，对多个参数综合考虑，而不是单一的追求某一参数的突破。

论文通讯作者介绍

关于 段镶锋 教授

美国加州大学洛杉机分校(UCLA)终身教授，加州纳米技术研究院研究员。2003年被美国 Technology Review 评为当年的―世界百位杰出青年发明家之一。2011年列入全球领先的专业信息供应商汤森路透集团发布的2000-2010年全球顶尖一百化学家名人堂榜单全球第 41位，华人第 7位。全球顶尖一百材料学家名人堂榜单全球总排名第 20位，华人第7位。1998年获得哈佛大学全额奖学金赴美深造，1999年和2000 年两度获得―MRS 全美杰出研究生奖，2001年获得―全美发明家竞赛大奖，同年，他和另一位科大学子黄昱合作完成的纳米成果被Science 评为01年世界十大科技进展，并名列榜首，2002年获得博士学位，2003年他被美国 Technology Review 评为当年的―世界百位杰出青年发明家之一。

关于 黄昱 教授

主要研究方向为纳米电催化及纳米电子学，在复杂纳米结构设计及纳米应用基础研究领域已积累了一系列出色的学术成果，Google scholar统计引用次数超过35000次。被评为美国材料学会会士（MRS Fellow）、美国卡夫利基金会会士（Kavli Fellow）。并获得多项学术荣誉，包括：青年科学家与工程师总统奖（2008）、国际贵金属学会Carol Tyler奖（2017）、美国国防高级研究计划局（DARPA）青年科学家奖（2010）、Sloan研究学者奖（2010）、美国国家航空航天局纳米领域创新青年奖（2006）、国际纯粹与应用化学联合会青年化学家奖（2004）、麻省理工科技评论创新青年奖（2003）等。

关于 郭林 教授

教授，博士生导师。教育部长江学者奖励计划特聘教授；国家杰出青年基金、国务院政府特殊津贴、宝钢优秀教师奖获得者；新世纪百千万工程国家级人选。先后于东北师范大学、吉林大学、北京理工大学获学士、硕士、博士学位；中国科学院高能物理所同步辐射国家实验室博士后。曾在香港科技大学化学系做访问学者，德国德累斯顿理工大学低温物理研究所做“洪堡学者”。2001年北京航空航天大学首批校长直聘教授, 现为北京航空航天大学化学与环境学院副院长，教育部仿生智能界面科学与技术教育部重点实验室副主任；北航应用化学学科责任教授。中国科学技术大学兼职教授，中国颗粒学会理事，中国化工学会无机盐专业学科带头人，国家基金委第十二、十四届材料工程学部材料评审组成员，教育部胶体与界面化学应用重点实验室学术委员。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Ultra-high Areal Capacity Realized in Three-Dimensional Holey Graphene/SnO2 Composite Anodes

论文网址：

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(19)30303-7

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.08.025

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