研究人员将硒化锰阳极嵌入3D碳纳米片基质 可避免锂离子电池阳极膨胀

锂离子电池（LIB）是可持续能源技术的未来，但在不断提高电池容量的研发过程中，电池阳极体积会发生剧烈膨胀，从而引发安全问题。据外媒报道，近日，韩国研究人员发现一种创新、简单且成本低的方法，即将硒化锰阳极嵌入3D碳纳米片基质中，可以避免锂离子电池体积发生剧烈膨胀，同时也提高了电池的能量密度。

（图片来源：期刊Chemical Engineering）

作为下一代能源解决方案，LIB这种用于电气设备或电动汽车的可再生能源一直备受关注。然而，目前使用的LIB的阳极存在多项不足，包括低离子电子电导率和充放电循环期间的结构变化，以及低比容量，大大限制了电池的性能。

为了寻找更好的负极材料，韩国海事海洋大学（Korea Maritime and Ocean University）的Jun Kang博士和韩国釜山国立大学的同事设计出一种具有独特结构的负极，可以克服许多现有阳极的效率问题。Jun Kang博士表示：“我们一直专注于研究硒化锰（MnSe）。硒化锰是一种价格较低的过渡金属化合物，因其具有高导电性，并适用于半导体和超级电容器的开发而被大众熟知。因此这种材料可能也适用于LIB阳极。”然而，MnSe在充放电循环过程中会发生剧烈的体积变化（约160%），不仅会降低电极性能，还会引发安全问题。

为防止这种体积变化，研究人员开发出一种简单且低成本的工艺：将MnSe纳米颗粒均匀地注入三维多孔碳纳米片基质（three-dimensional porous carbon nanosheet matrix，3DCNM）中。在新开发的、研究人员将其称为“MnSe ⊂ 3DCNM”负极材料中，碳纳米片支架可使锚定的MnSe纳米颗粒具有众多优点，例如大量的活性位点、以及具有电解质的强化的接触面积，并可避免发生剧烈体积膨胀。

研究人员能够合成多种MnSe ⊂ 3DCNM材料，其中MnSe ⊂ 3DCNM-1.92表现出最好的循环稳定性和倍率能力。当将其与全电池（full cell）中的锂锰（III,IV） 氧化物（LiMn2O4，一种常用的正极材料）结合时，该团队观察到MnSe ⊂ 3DCNM-1.92可以持续表现出卓越的电化学性能，包括优异的锂离子和电子传输动力学。

该研究团队对于此次成果的潜在影响力感到十分兴奋。正说Kang博士所说：“通过使用有益的填料支架，我们开发出的新阳极可以提高电池性能的同时，还能实现可逆能量存储。这种策略还适用于其他具有较大表面积和高稳定纳米结构的过渡金属硒化物，从而应用于存储系统、电催化和半导体中。”