韩国研发下一代锂电池材料 充电更快寿命更长

【中国观察2025年04月28日讯】随着电动车、大规模储能系统（ESS）等领域对于锂电池需求快速增长。韩国的研究团队开发出了一种硬碳-锡做的复合阳极材料，适用于锂电池和钠电池。让它们拥有快速充电、更高的稳定充放电循环，与高能量密度的优点，有望满足当今世界对于电池性能的要求。
目前石墨是锂电池（LIB）中最常见的阳极材料，因其结构稳定而被广泛应用。不过，石墨电极的实际电池容量要低于理论（372mAh/g），且在恶劣的充电条件下（例如低温），整个的充电速度会出现快速下降的问题。
此外，缓慢的电化学反应容易导致锂离子在石墨阳极上沉积，从而引发整个电极退化和损坏电池完整性，最终产生严重的安全隐患。目前世界多数使用锂电池的产品，正面临这种电池安全、低温充电速度缓慢的问题。
为了克服和改善传统石墨阳极的问题。这次，韩国浦项科技大学（POSTECH）与韩国能源研究所（KIER）的研究团队，联合开发出一种将硬碳-锡（Sn）结合的新型复合阳极材料，使锂电池和钠电池获得快速充电、更多的快速循环充放电次数，与更高电池能量密度的能力。
他们将石墨改成硬碳，硬碳是一种无序碳材料，拥有丰富的微孔和通道，有利于锂离子、钠离子在硬碳中快速扩散，从而提高能量存储、强化机械强度与提升电池的使用寿命和充电速率。
他们还选用锡金属，原因是锡颗粒越小越能有效减轻电池循环充放电过程中电极材料体积逐渐膨胀的问题。
然而，实验人员发现加入锡金属时带来了另一项挑战。由于锡的低熔点（230°C）使其难以合成细小颗粒。幸运的是，实验人员采用溶胶-凝胶工艺处理锡金属，并分别透过500°C、700°C、900°C温度热还原锡，成功将10奈米（nm）左右的锡颗粒均匀镶嵌于硬碳基质材料中。
这种硬碳-锡复合阳极材料，不仅让锡奈米颗粒充分成为活性材料，还能在硬碳中起到催化其它金属的作用。其核心在于锡氧键（Sn-O）在电化学循环过程中促进锡与锂、氧与锂的氧化还原反应，最终形成一个具有高度可逆性、高转化效率的锂电池。
为了测试该电极在锂电池中产生的作用，研究人员进行了循环充放电测试。结果显示，经过700°C热还原的硬碳-锡电极表现最佳，能让整个锂电池实行高电流快速充电，且在快速充放电1,500次后依然保持稳定。此外，该电极的体积能量密度，是传统石墨电极的1.5倍。
另外，他们还将该电极应用于钠电池（SIB）上进行测试。结果显示，钠电池整体表现要略低于锂电池，原因与钠电池中的氧化钠（Na2O）本身具有电化学不可逆性有关，但整体表现仍优于传统的钠电池。
这项钠电池测试，是为了改善和检验过去钠离子与石墨、硅等传统阳极材料，反应性差的问题。
这项研究结果于3月发表在《美国化学学会奈米》（ACS Nano）杂志上，获得了韩国贸易、工业和能源部以及科学和资讯通信技术部的资助。实验人员表示，这项研究成果代表这种高功率、高能量、长寿命的硬碳-锡电极可用于多种充电电池平台，展现出下一代锂电池和钠电池的应用潜力。
韩国浦项科技大学的朴秀珍教授（Soojin Park）对该校的新闻室表示，“这项研究代表了下一代高性能电池发展的新里程碑，有望应用于电动车、混合动力系统和电网规模储能系统等领域。”
韩国能源研究所的崔成浩（Gyujin Song）博士则补充道，“这种阳极同时实现高功率、稳定性和能量密度，并兼容可充电钠电池系统，将为电池市场带来巨大潜力。”