新负极材料让充电电池容量高寿命长

氧化锰纳米片与石墨烯的材料结构图

日本物质材料研究机构提供

日本物质材料研究机构(NIMS)日前公布，他们的一个研究小组成功合成了氧化锰纳米片和石墨烯交替重叠的材料。该复合材料作为锂及钠离子充电电池的负极材料，可将电池充放电容量提高两倍以上，且能延长重复使用寿命，解决了容量和寿命不可兼得的问题。

高容量化是二次电池的目标之一，目前其负极使用的是碳材料，理论上过渡金属氧化物具有高容量，有望成为碳材料的替代物。特别是具有分层结构的氧化锰，将其剥离制成单分子厚的纳米片，作为负极使用，表面全部呈活性，可大幅提高容量。但氧化锰的难点在于反复充放电容易破坏结构，纳米片也易于凝聚成团状。

研究小组在溶液中分散氧化锰纳米片并与石墨烯混合，合成了交互多层的层压复合材料。氧化锰与石墨烯都带负电，通常情况下会互相排斥。研究小组早在2015年通过化学修饰石墨烯使其带正电，解决了排斥问题，并实现了当时金属氧化物负极材料中最高容量和最长寿命。

此次通过把两种物质从分子水平复合，得到了单独材料难以实现的高特性。复合材料除用于充电电池之外，还可大幅提高超级电容器、电极催化剂等能量储存及转换系统的效能。

研究成果发表在近期美国化学协会杂志《ACS纳米》网络版。