中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所研究員劉錦淮、黃行九課題組的劉金云等在研制納米電極及其在能源存儲器件電化學(xué)性能方面取得系列成果，研制了高體積容量的三維納米復(fù)合電極，提出并論證了新的電極容量衰減機(jī)理，復(fù)合結(jié)構(gòu)提高了鋰離子電池的電化學(xué)性能等。研究成果發(fā)表在相關(guān)領(lǐng)域國際期刊Advanced Materials、ACS Nano、Small等。
作為一種重要能量存儲器件，鋰離子電池因其高能量轉(zhuǎn)化效率、低自放電率、寬工作溫度范圍、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，目前在可充電電池領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，針對鋰離子電池電極及其電化學(xué)特性的研究也一直是世界各國極為重視的重要領(lǐng)域。隨著當(dāng)今電子科技發(fā)展對容量高、循環(huán)穩(wěn)定、重量輕、體積小的高性能鋰離子電池需求越發(fā)迫切（比如電動汽車、無人機(jī)等），發(fā)展高容量（包括質(zhì)量容量和體積容量）電極并深入研究其電化學(xué)特性具有重要意義。
納米電極具有活性高、離子擴(kuò)散和電子傳輸路徑短等特點。研究人員從最本質(zhì)的納米電極容量衰減原理入手，探索導(dǎo)致容量衰減的根本原因，進(jìn)而針對性地設(shè)計高容量循環(huán)穩(wěn)定的納米電極，以及發(fā)展相應(yīng)的普適性納米電極制備技術(shù)。例如，設(shè)計的硅/碳三維納米管陣列電極，電化學(xué)活性材料硅的內(nèi)外表面均被碳包裹保護(hù)（見圖1），可以有效減小充放電循環(huán)過程中固體電解質(zhì)界面層對電化學(xué)穩(wěn)定性的影響。通過原位掃描電鏡技術(shù)，清晰觀測了復(fù)合納米管在嵌鋰/脫鋰過程中的體積與結(jié)構(gòu)動態(tài)變化（見圖2）。進(jìn)一步建立理論模型，提出并論證了一種電極納米結(jié)構(gòu)疲勞引起容量衰減的新原理。
此外，基于普適性的三維納米結(jié)構(gòu)電極制備技術(shù)，研制出一種無框架結(jié)構(gòu)三維納米復(fù)合電極并研究其能量存儲應(yīng)用性能（見圖3），發(fā)現(xiàn)充放電循環(huán)200次后，仍然具有高的全電極體積容量（～1000 
mAh cm-3），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前商用石墨電極的體積容量（～550 mAh cm-3），為發(fā)展應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備的微型電池打下了電極材料基礎(chǔ)。研究成果基于中科院合肥研究院智能所與美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校的合作平臺。隨著研究的深入，高性能納米結(jié)構(gòu)電極的研制及其在鋰離子電池中的電化學(xué)特性研究有望取得進(jìn)一步突破。
圖1 C@Si@C三維納米管陣列電極示意圖; 充放電循環(huán)容量與庫倫效率; 鋰化過程最大主應(yīng)力分布的建模分析圖
圖2 (a) C@Si@C納米管SEM圖; (b)充電(嵌鋰)和(c)放電(脫鋰)后的In-situ SEM圖
圖3 (a) Small封面文章; (b)三維結(jié)構(gòu)SiO2和(c) SiO2@Fe3O4/C電極SEM俯視圖; Fe3O4/C復(fù)合納米電極SEM(d)俯視圖和(e)截面圖; (f) TEM照片
