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日本東北大學與東京大學組成的研究組于2016年5月14日宣布，開發(fā)出了全固態(tài)鋰電池的新型負極材料“穿孔石墨烯分子”。這種材料可實現(xiàn)達到通用的石墨電極2倍以上的電容量，在充放電65次之后仍然能夠維持原本的容量。

 

“穿孔石墨烯分子”的分子結構

長期以來，鋰電池的負極材料一直使用重量輕、電容量大的石墨。較近，石墨烯、碳納米管等納米碳作為新型碳材料出現(xiàn)在市場上，使電池容量擴大到之前的2～3倍成為了可能。但納米碳是結構的復雜混合物，無法解明大容量化的原理和方針。因此，開發(fā)具有部分納米碳結構的分子性物質成為了關注的焦點。

此次開發(fā)的穿孔石墨烯分子是分子中央有納米級微孔的大環(huán)有機分子。以這種分子的固體物質作為電極制造電池并進行檢測的結果證實，這種分子是一種的電極材料。此次研究的著眼點是開發(fā)備受期待的新一代電池，即全固態(tài)電池，沒有采用常規(guī)電池使用的液體電解質，而是采用固體電解質。使用鋰離子傳導性高而且穩(wěn)定的絡合氫化物作為固體電解質，為這次的新發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了契機。

 

 

新負電極分子材料的運動模式圖借助鋰（黃色）在穿孔石墨烯分子的縫隙和微孔部分（藍色）的插入與脫離，進行放電和充電。

 

 

使用新負極分子材料的全固態(tài)鋰電池及其截面的電子顯微鏡圖。穿孔石墨烯分子電子顯微鏡圖中灰白色的部分，發(fā)黑的部分是固體電解質 。

另外，此次研究還發(fā)現(xiàn)，使用粉末X射線衍射的方法，穿孔石墨烯分子的固體會形成與石墨相似的層狀結構，并且可以使中央分子的微孔排成一線，形成微細、貫通的微孔結構。在石墨中，鋰只在層疊起來的碳層的間隙中累積，而在穿孔石墨烯分子中，鋰在納米級的間隙和微孔兩個地方累積，因此可以擴大容量。穿孔石墨烯分子可以使用非常普遍、產(chǎn)量很大的有機化合物“萘”制造。

此次研究的相關成果已于5月13日（中歐夏令時）在學術雜志《Small》上發(fā)表。