王成新课题组：高密储锂领域取得重要进展

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致密储能，也即是高体积能量密度储能，是各类便携电子器件、电动车等进一步提高空间利用率关键。锂离子电池的体积能量密度的主要取决于活性物质和电池封装两个方面。就电极材料而言，其比容量越大、振实密度越高、正负极工作电压差越大，一般而言其对应的器件体积能量密度越高；在电池封装上，集流体、多孔电极、隔膜等的厚度，以及注入的电解液体积等都影响电池整体的密实效果。比如，在商业化250 Wh/L规格封装的锂离子电池中，正负极集流体，加之隔膜的总厚度约45 微米，而单独正极的厚度就超过85微米，更不用说孔隙率高，质量较轻的负极了。其主要原因在于正负极的各种多孔化设计，用于保证电池较快的离子、电子传输过程及活性物质自由的体积膨胀和收缩。因此，高密锂存储材料和致密封装电极设计在获取高密储锂时缺一不可。

       在获取高密储锂上，当前的主流做法把材料设计和电极致密化两个关联因素彼此孤立。他们通过合理的多孔化纳米设计，能充分提高活性物质利用率、储锂比容量、改善离子、电子传导过程，延缓电极衰退，实现较高的库伦效率、比容量，以及稳定的循环能力，快速充放等各种实用需求。但在实际的电池组装中，它们很难承受现有的商业化高压致密工艺，往往导致结构塌陷、大面积局域剥落，以及发生剧烈的颗粒融合团聚，导致电接触失效，最终偏离材料多孔化纳米设计的初衷。而且即便如此，仍旧要预留高达50%孔隙率，用于填充电解液，确保其浸润效果，及快速离子扩散和安全的体积膨胀空间。因此，设计兼容现有电池生产工艺、同时实现高密储锂和致密封装的二合一电极构筑技术具有重要意义。
       有鉴于此，材料科学与工程学院王成新教授团队首次将“形貌重塑”或“重整形”的概念引入，用于构筑致密电极，实现锰基氧化物的高密储锂（~1889 Ah/L，当前同类最高水平）。通过可溶性的表界面设计，将数十微米的块体，在集流体上重塑为有机表界面均匀包覆的致密堆积亚3纳米超小晶粒，将其储锂容量密度提高至5倍以上，同时该电极保持优异的稳定循环（~100%的容量持有率）、倍率保持和长寿命（3A g-1电流下，1000次循环，保持容量455 mAh g-1）等综合电化学特性。
       相关研究成果以“Morphology Reshaping Enabling Self-Densification of Manganese Oxide Hybrid Materials for High-Density Lithium Storage Anodes”为题发表在材料领域重要期刊Advanced Functional Materials (2019,29,1907154) 上，其中苏健博士生为第一作者，宋华伟研究员和王成新教授为通讯作者，该工作获得国家自然科学基金和中山大学高校基本科研业务费等项目的大力资助。
       论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201907154


       王成新，现任中山大学物理科学与工程技术学院教授，博士生导师。2002年12月毕业于吉林大学超硬材料国家重点实验室,并获理学博士学位;论文题目:金刚石基的宽禁带半导体异质结及相关理论研究;2005年5月于中山大学光电材料与技术国家重点实验室博士后出站;2005年6月-2007年6月,日本东京工业大学JSPS特别研究员（日本学术振兴会（JSPS）资助）;2007年6月,入选中山大学百人计划,受聘于中山大学光电材料与技术国家重点实验室.近年来,一直从事低维光电功能材料设计应用及相关理论研究.