纳米工程阳极可以提高锂离子电池的容量和使用寿命吗？

韩国东国大学的研究人员最近发布了一种新型混合负极材料的初步细节，他们将其描述为“锂离子电池技术的重大突破”。它可以提高现有制造设施中生产的电池的性能、容量和寿命。新的负极材料通过纳米工程结构实现了这些改进，该结构将氧化石墨烯的卓越导电性与镍铁化合物的储能能力相结合。

他们的研究发表在《化学工程杂志^》上1 描述了一种分层异质结构复合材料，可在纳米级优化材料界面（图 1）。与使用传统负极材料的电池相比，它显着提高了储能容量和长期循环稳定性。

图1. 韩国东国大学开发了一种独特的纳米组装工艺，可生产用于高性能锂离子负极材料的空心“混合”结构，可用于现有的电池制造设施。

Anode Composite 的测试结果看起来很有希望

研究期间进行的电化学测试揭示了负极材料的卓越性能。在 100 mA ^g-1 的电流密度下，经过 580 次循环后，比容量为 1687.6 mAh ^g-1，在容量上超过了大多数传统材料，同时表现出优异的循环稳定性。此外，该材料表现出良好的倍率性能，即使在充电/放电速率显著提高的情况下也能保持高容量，具有高充电/放电能力（20,000 mA/g 时为 ~283 mAh/g）。

由东国大学 Jae-Min Oh 教授领导的研究人员与庆北国立大学的 Seung-Min Paek 合作，正在通过纳米级工程材料来应对这些挑战。他们的工作重点是一种新型混合材料，旨在最大限度地发挥其成分的协同效应。

这种创新的复合材料是一种分层异质结构，结合了还原氧化石墨烯 （rGO） 和镍铁层状双氢氧化物 （NiFe-LDH）。这种独特的复合材料利用了其组件的特性：rGO 为电子传输提供了导电网络，而镍铁氧化物组件通过伪电容机制实现了快速电荷存储。这种创新设计的关键是丰富的晶界，这有助于高效的电荷存储。

Seung-Min Paek 教授强调了这项研究的协作性质：“这一突破是通过不同材料专家之间的密切合作而实现的。通过结合我们的优势，我们能够更有效地设计和优化这个混合动力系统。

纳米制造混合阳极结构

研究人员通过使用聚苯乙烯 （PS） 珠模板的逐层自组装技术生产了这种复合材料。首先，用 GO 和 NiFe-LDH 前驱体包被 PS 珠。然后删除模板，留下空心球体架构。

之后，受控热处理诱导 NiFe-LDH 发生相变。这导致纳米晶镍铁氧化物 （NiFe₂O₄） 和非晶态氧化镍 （a-NiO） 的形成，同时将 GO 还原为 rGO（图 2）。

图2. 用于创建负极材料的 3D 空心导电球体混合矩阵的纳米制造工艺的详细信息。

这种合成产生了一种高度集成的混合复合材料 （rGO/NiFe₂O₄/a-NiO），具有增强的导电性，使其成为锂离子电池的高效负极材料。中空结构可防止 a-NiO/NiFe₂O₄ 纳米颗粒与电解质直接接触，从而提高稳定性。然后，该团队使用先进的表征技术，例如 X 射线衍射和透射电子显微镜，来确认复合材料的形成。

“令人震惊的细节”

在接受 Electronic Design 的独家采访时，Jae-Min Oh 教授提供了有关新型负极材料商业化潜力的更多细节：

ED：将负极材料的生产扩大到商业产量涉及哪些挑战？

Jae Min Oh：扩大用于阳极的 rGO/a-NiO/ NiFe2O4-HS 杂化材料的生产涉及多项挑战。首先，使用聚苯乙烯模板的逐层自组装工艺是精确的，但可能需要优化工业规模的吞吐量和成本。

此外，在惰性气氛下的热处理步骤对于保持空心结构和减少结构缺陷至关重要，这可能会增加生产复杂性和成本。在大规模生产过程中确保均匀的粒度分布和结构完整性也是保持性能一致性的关键。

也就是说，这项研究是一项基础研究，重点是提高阳极性能的纳米制造策略，大规模生产并不是现阶段的主要目标。然而，与后来实现商业化的许多基础研究一样，我们相信，通过应用化学工程技术来控制关键工艺参数，可以切实实现放大。

现有的锂离子制造设施能否适应使用新的负极材料，或者是否需要全新的制造工艺？如果它们可以进行改造，则需要多少新设备？

拟议的负极材料与当前 LIB 制造中使用的标准浆料铸造和电极制造技术兼容。然而，上游工艺，例如空心石墨烯/LDH 杂化球的合成和惰性气体下的受控热处理，可能需要调整或额外的模块。也就是说，一旦合成了活性材料，将其集成到传统的 LIB 架构中就不需要进行重大改造。

新材料是否会显著增加产品的单位成本？它将如何改变每千瓦时的成本？

由于这项研究的重点是开发先进材料以提高阳极性能，因此我们没有进行成本分析。原材料价格、加工可扩展性和设备要求等因素都会影响最终生产成本，因此很难在这个早期阶段提供有意义的估计。同样，每千瓦时的成本将取决于本基础研究范围之外的许多变量。

是否有粗略估计过新材料在首次推出时以及技术成熟后在容量、充电速度和产品寿命方面的改进？

正如我们之前报道的那样，实验室规模的测试表明，我们的负极材料在 580 次循环后显示出高达 1687.6 mAh/g 的比容量。我们还了解到，它们表现出高倍率能力（在 20,000 mA/g 时维持 ~283 mAh/g）。这代表了对传统负极材料的重大改进。

虽然现在预测商业系统的准确数字还为时过早，但伪电容行为和结构稳定性表明，随着技术的成熟和制造的改进，更快的充电速率和更长的使用寿命具有广阔的潜力。

未来是什么？

Jae-Min Oh 教授总结了这一成就，他说：“我们预计，在不久的将来，储能材料将超越简单地改进单个组件。相反，它们将涉及多种相互作用的材料，这些材料会产生协同作用，从而产生更高效、更可靠的储能设备。这项研究为下一代电子设备提供了一条更小、更轻、更高效的储能途径。