鋰離子電子自1991年投入市場(chǎng)以來一直備受矚目，在3C領(lǐng)域（通訊領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域、消費(fèi)電子產(chǎn)品）應(yīng)用廣泛。然而，其有限的能量密度、功率密度以及安全隱患等亟待解決的問題限制了鋰離子電池的發(fā)展。易燃易爆的有機(jī)電解液是引起鋰離子電池安全問題的關(guān)鍵因素，不少安全事故是由于鋰離子電池電解液起火造成的，如波音787飛機(jī)安全事故，動(dòng)力汽車起火事件。因此，替換現(xiàn)有的商業(yè)化電解液，采用固體電解質(zhì)的全固態(tài)電池是解決鋰離子電池安全問題的根本途徑。
2014級(jí)碩士研究生譚瑞同學(xué)在潘鋒教授的指導(dǎo)下，與學(xué)院的博士后、同學(xué)與工程師開展交叉學(xué)科、協(xié)同創(chuàng)新的合作研發(fā)，開展新型全固態(tài)電池的設(shè)計(jì)及相關(guān)材料的合成，并且積極與實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)豐富的研究生和博士后合作，首次將高容量硅酸亞鐵鋰（Li2FeSiO4）正極材料，其容量（250mAh/g）大大地超過了我們常用的鈷酸鋰和3元材料容量(150mAh/g)正極材料，應(yīng)用于聚氧乙烯基全固體電池。該電池在100℃具有優(yōu)越的倍率性能（30 C容量有67.5mAh/g）以及較高的比容量發(fā)揮（1C容量有258.2 mAh/g），有望作為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池在較高溫下得到廣泛應(yīng)用。該工作以通訊的形式發(fā)表在納米材料與新能源領(lǐng)域的國(guó)際頂級(jí)雜志 Nano Energy （SCI 影響因子10.3）雜志上。
圖1 在該研究工作中，第一次組裝了基于硅酸亞鐵鋰（Li2FeSiO4）的全固態(tài)電池。該電池在1C條件下，具有高的比容量258.2 mAh g?1，并且在30C的大電流條件下，也有67.5 mAh g-1的容量體現(xiàn)。高的容量體現(xiàn)和優(yōu)越的倍率性能，是由于硅酸亞鐵鋰的鋰離子擴(kuò)散率和電子導(dǎo)電率從300K升為至373K提高了近4個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖2（a）基于碳包覆的硅酸亞鐵鋰和有機(jī)聚合物電解質(zhì)（PEO-Al2O3-LiTFSI）的工作示意圖。（b）電池未經(jīng)過電化學(xué)活化和高溫處理時(shí)的正極-電解質(zhì)截面元素能譜圖。（c）電池經(jīng)過電化學(xué)活化和高溫處理時(shí)的正極-電解質(zhì)截面元素能譜圖。（藍(lán)色代表硫元素，黃色代表硅元素）（d）聚氧乙烯鏈和鋰鹽（LiTFSI）包裹硅酸亞鐵鋰的單顆粒示意圖。
譚瑞同學(xué)與博士后楊金龍和鄭家新（3位都是文章共同第一作者）合作，在學(xué)院其他同學(xué)和工程師的支持下，在研究生第一年就完成了該工作，這是北大新材料學(xué)院2014級(jí)研究生以第一作者發(fā)表的首篇學(xué)術(shù)論文，也是碩士研究生首篇發(fā)表在國(guó)際一區(qū)雜志上，這是對(duì)北大新材料學(xué)院所有學(xué)生一個(gè)很好的一個(gè)激勵(lì)。
目前北大新材料學(xué)院研究生們正在努力，通力合作，陸續(xù)將更加優(yōu)秀的研究成果形成原創(chuàng)的專利，并投到高影響力的科學(xué)雜志上。同時(shí)，學(xué)院的全體師生正在積極響應(yīng)北京大學(xué)創(chuàng)建世界一流大學(xué)的號(hào)召，共同努力把新型的新材料學(xué)院建設(shè)成國(guó)際一流的材料科學(xué)與工程學(xué)院。
鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285515002700
Rui Tan1,?, Jinlong Yang1,?, Jiaxin Zheng1,?, Kai Wang , Lingpiao Lin , Shunping Ji , Jun Liu , and Feng Pan*，“Fast Rechargeable All-Solid-State Lithium Ion Batteries with High Capacity Based on Nano-sized Li2FeSiO4 Cathode by Tuning Temperature” Nano Energy 2015
