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重点打造核心技术——热电池复合正极材料取得重大技术突破,制备的碳硫复合正极即使在大的硫负载率下



经过两年基础研究和技术攻关,十院梅岭电源公司“十三五”重点打造核心技术——热电池复合正极材料取得重大技术突破。

日前,中国科学院电工研究所研究员马衍伟团队设计开发出一种具有多级次微观结构的新型石墨烯-多孔碳球复合纳米材料。该碳复合材料兼具石墨烯纳米片和多孔碳纳米球的优点,具有3182
m2 g-1的超高比表面积和1.93 cm3
g-1的大孔隙率。基于这种碳纳米材料,电工所制备出了高性能锂硫电池正极。

采用多元复合正极材料设计的热电池可以使工作时间和输出能量提高10%以上,甚至高达30%,并且电池环境适应性强,质量稳定性高,可以满足苛刻的高低温环境试验要求和安全稳定性要求。

从微观结构来看,这种碳复合材料以石墨烯纳米片作为骨架,表面分散附着直径约为200nm的碳球,其内部含有主要为1-3nm的多级次介微纳米多孔结构,共同构成多级次的碳-碳复合纳米结构。由于超高的比表面积和孔隙率,制备的碳硫复合正极即使在大的硫负载率下,仍可发挥1250
mAh g-1的比容量。循环充放电100次后,仍可保持916 mAh
g-1的比容量。在2C电流下循环充放电450次,容量保持率约为98%。这表明该研究提出的零维&二维多级次复合纳米结构设计,发挥了石墨烯和多孔碳球的协同效应,有效地分散、限域硫正极,提高了电化学活性、避免了硫的穿梭效应,为开发高容量、长循环性能锂硫电池以及其它储能器件提供了新的思路。

热电池复合正极材料成功开发不仅提升了热电池长时间大功率输出能力,更重要的是复合材料制备技术打破了国内外技术封锁,极大地增强了快速响应能力,使我国军用电源制造技术跻身世界先进水平行列。

该研究与北京科技大学教授赵海雷合作完成,相关结果发表在《材料化学》(Chemistry
of Materials,
2016, 28,
7864−7871)上。上述研究获得国家自然科学基金委和电工所创新人才引进计划的大力支持。

梅岭电源实现如此重大的技术突破,需要经历何种过程?答案是:只需三步!

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第一步:成熟的工艺技术基础。

基于石墨烯多级次复合材料的碳硫正极结构示意图以及电化学性能

复合正极材料是由两种或两种以上不同性质的正极材料,通过物理或化学方法组成的具有新性能的正极材料。各种正极材料可以取长补短,产生协同效应,使复合材料综合性能优于原组成材料。梅岭电源作为航天电源研制生产的老牌劲旅,具备强有力的技术基础,热电池复合正极材料充分继承了公司成熟的工艺技术。

第二步:创新!创新!创新!

该公司在优化过程控制的同时,创新性地提出了相近电位多正极材料复合模式,通过多次反复试验,初步确定了复合正极材料配比及过程处理工艺,并成功制备性能优越的多元复合正极材料。

第三步:不畏艰难的反复实践

在复合正极材料的技术开发过程中,公司研究团队上下齐心,紧密协作,用勤劳和智慧完成了材料的基础研究和技术攻关。2015年公司魏俊华董事长强调:技术进步需要科技创新,在中国航天科工集团公司“新一代材料与工艺技术”的创新发展驱动下,梅岭电源必须狠下工夫,花大力气,做好新材料技术开发,着力解决复合材料制备的技术瓶颈问题。

经过技术系统详细论证和反复试验,研究团队最终采用物理和化学相结合的新型复合模式,实现了多正极协同效应,使热电池能量输出最大化。

实现热电池复合正极材料取得重大技术突破,打破国内外技术封锁,使我国军用电源制造技术跻身世界先进水平行列。梅岭电源公司的这一突破虽只有看似简单的三步,却蕴含了公司整个团队不懈创新的原动力与绝不言败的战斗力,三步之间,实现跨越。
来源:航天科工网站

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