氧化錳+石墨烯制成“千層餅” 新負極材料讓電池容量高壽命長

氧化錳納米片與石墨烯的材料結構圖/日本物質材料研究機構提供

日本物質材料研究機構（NIMS）日前公布，他們的一個研究小組成功合成了氧化錳納米片和石墨烯交替重疊的材料。該復合材料作為鋰及鈉離子充電電池的負極材料，可將電池充放電容量提高兩倍以上，且能延長重復使用壽命，解決了容量和壽命不可兼得的問題。

高容量化是二次電池的目標之一，目前其負極使用的是碳材料，理論上過渡金屬氧化物具有高容量，有望成為碳材料的替代物。特別是具有分層結構的氧化錳，將其剝離制成單分子厚的納米片，作為負極使用，表面全部呈活性，可大幅提高容量。但氧化錳的難點在于反復充放電容易破壞結構，納米片也易于凝聚成團狀。

研究小組在溶液中分散氧化錳納米片并與石墨烯混合，合成了交互多層的層壓復合材料。氧化錳與石墨烯都帶負電，通常情況下會互相排斥。研究小組早在2015年通過化學修飾石墨烯使其帶正電，解決了排斥問題，并實現了當時金屬氧化物負極材料中最高容量和最長壽命。

此次通過把兩種物質從分子水平復合，得到了單獨材料難以實現的高特性。復合材料除用于充電電池之外，還可大幅提高超級電容器、電極催化劑等能量儲存及轉換系統的效能。

研究成果發表在近期美國化學協會雜志《ACS納米》網絡版。