納米工程陽極可以提高鋰離子電池的容量和使用壽命嗎？

韓國東國大學的研究人員最近發布了一種新型混合負極材料的初步細節，他們將其描述為“鋰離子電池技術的重大突破”。它可以提高現有制造設施中生產的電池的性能、容量和壽命。新的負極材料通過納米工程結構實現了這些改進，該結構將氧化石墨烯的卓越導電性與鎳鐵化合物的儲能能力相結合。

他們的研究發表在《化學工程雜志^》上1 描述了一種分層異質結構復合材料，可在納米級優化材料界面（圖 1）。與使用傳統負極材料的電池相比，它顯著提高了儲能容量和長期循環穩定性。

圖1. 韓國東國大學開發了一種獨特的納米組裝工藝，可生產用于高性能鋰離子負極材料的空心“混合”結構，可用于現有的電池制造設施。

Anode Composite 的測試結果看起來很有希望

研究期間進行的電化學測試揭示了負極材料的卓越性能。在 100 mA ^g-1 的電流密度下，經過 580 次循環后，比容量為 1687.6 mAh ^g-1，在容量上超過了大多數傳統材料，同時表現出優異的循環穩定性。此外，該材料表現出良好的倍率性能，即使在充電/放電速率顯著提高的情況下也能保持高容量，具有高充電/放電能力（20,000 mA/g 時為 ~283 mAh/g）。

由東國大學 Jae-Min Oh 教授領導的研究人員與慶北國立大學的 Seung-Min Paek 合作，正在通過納米級工程材料來應對這些挑戰。他們的工作重點是一種新型混合材料，旨在最大限度地發揮其成分的協同效應。

這種創新的復合材料是一種分層異質結構，結合了還原氧化石墨烯 （rGO） 和鎳鐵層狀雙氫氧化物 （NiFe-LDH）。這種獨特的復合材料利用了其組件的特性：rGO 為電子傳輸提供了導電網絡，而鎳鐵氧化物組件通過偽電容機制實現了快速電荷存儲。這種創新設計的關鍵是豐富的晶界，這有助于高效的電荷存儲。

Seung-Min Paek 教授強調了這項研究的協作性質：“這一突破是通過不同材料專家之間的密切合作而實現的。通過結合我們的優勢，我們能夠更有效地設計和優化這個混合動力系統。

納米制造混合陽極結構

研究人員通過使用聚苯乙烯 （PS） 珠模板的逐層自組裝技術生產了這種復合材料。首先，用 GO 和 NiFe-LDH 前驅體包被 PS 珠。然后刪除模板，留下空心球體架構。

之后，受控熱處理誘導 NiFe-LDH 發生相變。這導致納米晶鎳鐵氧化物 （NiFe₂O₄） 和非晶態氧化鎳 （a-NiO） 的形成，同時將 GO 還原為 rGO（圖 2）。

圖2. 用于創建負極材料的 3D 空心導電球體混合矩陣的納米制造工藝的詳細信息。

這種合成產生了一種高度集成的混合復合材料 （rGO/NiFe₂O₄/a-NiO），具有增強的導電性，使其成為鋰離子電池的高效負極材料。中空結構可防止 a-NiO/NiFe₂O₄ 納米顆粒與電解質直接接觸，從而提高穩定性。然后，該團隊使用先進的表征技術，例如 X 射線衍射和透射電子顯微鏡，來確認復合材料的形成。

“令人震驚的細節”

在接受 Electronic Design 的獨家采訪時，Jae-Min Oh 教授提供了有關新型負極材料商業化潛力的更多細節：

ED：將負極材料的生產擴大到商業產量涉及哪些挑戰？

Jae Min Oh：擴大用于陽極的 rGO/a-NiO/ NiFe2O4-HS 雜化材料的生產涉及多項挑戰。首先，使用聚苯乙烯模板的逐層自組裝工藝是精確的，但可能需要優化工業規模的吞吐量和成本。

此外，在惰性氣氛下的熱處理步驟對于保持空心結構和減少結構缺陷至關重要，這可能會增加生產復雜性和成本。在大規模生產過程中確保均勻的粒度分布和結構完整性也是保持性能一致性的關鍵。

也就是說，這項研究是一項基礎研究，重點是提高陽極性能的納米制造策略，大規模生產并不是現階段的主要目標。然而，與后來實現商業化的許多基礎研究一樣，我們相信，通過應用化學工程技術來控制關鍵工藝參數，可以切實實現放大。

現有的鋰離子制造設施能否適應使用新的負極材料，或者是否需要全新的制造工藝？如果它們可以進行改造，則需要多少新設備？

擬議的負極材料與當前 LIB 制造中使用的標準漿料鑄造和電極制造技術兼容。然而，上游工藝，例如空心石墨烯/LDH 雜化球的合成和惰性氣體下的受控熱處理，可能需要調整或額外的模塊。也就是說，一旦合成了活性材料，將其集成到傳統的 LIB 架構中就不需要進行重大改造。

新材料是否會顯著增加產品的單位成本？它將如何改變每千瓦時的成本？

由于這項研究的重點是開發先進材料以提高陽極性能，因此我們沒有進行成本分析。原材料價格、加工可擴展性和設備要求等因素都會影響最終生產成本，因此很難在這個早期階段提供有意義的估計。同樣，每千瓦時的成本將取決于本基礎研究范圍之外的許多變量。

是否有粗略估計過新材料在首次推出時以及技術成熟后在容量、充電速度和產品壽命方面的改進？

正如我們之前報道的那樣，實驗室規模的測試表明，我們的負極材料在 580 次循環后顯示出高達 1687.6 mAh/g 的比容量。我們還了解到，它們表現出高倍率能力（在 20,000 mA/g 時維持 ~283 mAh/g）。這代表了對傳統負極材料的重大改進。

雖然現在預測商業系統的準確數字還為時過早，但偽電容行為和結構穩定性表明，隨著技術的成熟和制造的改進，更快的充電速率和更長的使用壽命具有廣闊的潛力。

未來是什么？

Jae-Min Oh 教授總結了這一成就，他說：“我們預計，在不久的將來，儲能材料將超越簡單地改進單個組件。相反，它們將涉及多種相互作用的材料，這些材料會產生協同作用，從而產生更高效、更可靠的儲能設備。這項研究為下一代電子設備提供了一條更小、更輕、更高效的儲能途徑。