電動汽車將成為未來重要的綠色交通工具，急需開發(fā)新型高容量、高穩(wěn)定和高安全的鋰離子電池。科學(xué)家們也在不斷嘗試各種方法提高鋰離子電池的性能，其中納米化是一種改進(jìn)材料電化學(xué)性能的常見方法，尤其關(guān)于磷酸鐵鋰這類低電導(dǎo)率的材料具有顯著的改善效果。納米化的優(yōu)點(diǎn)是縮短了鋰離子的傳輸路徑，可以獲得更好的倍率性能。與塊體材料相比，納米化的缺點(diǎn)包括表面的鋰與界面原子的結(jié)合能降低會導(dǎo)致容量的損失和電壓的降低；納米化后的大比表面積會帶來更多的活性位點(diǎn)，大量的活性位點(diǎn)與電解液的接觸也會成為影響鋰離子電池充放電穩(wěn)定性的重要因素；納米化帶來的振實(shí)密度和能量密度的降低更是工業(yè)生產(chǎn)中不容忽視的問題。

（A）40nmLiFePO4普通包碳和超容量包碳的充放電曲線圖；（B）83nmLiFePO4普通包碳和超容量包碳的充放電曲線圖；（C）裸露的LiFePO4界面；（D）重構(gòu)之后的LiFePO4界面（N代表普通包碳方法，E代表超容量包碳方法）

為了發(fā)揚(yáng)納米化的優(yōu)點(diǎn)并克服納米化的缺點(diǎn)，經(jīng)過3年時間的艱苦攻關(guān)，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授課題組終于取得了重要突破。他們巧妙地在納米磷酸鐵鋰的表面蓋上了一個與界面能夠配位反應(yīng)的殼層（磷酸鐵鋰表面生成的C-O-Fe化學(xué)鍵），不僅提高了表面鋰離子的結(jié)合能，而且出現(xiàn)了額外的鋰離子存儲位點(diǎn)。使用重構(gòu)之后的納米磷酸鐵鋰材料當(dāng)平均粒徑為42nm時材料容量能夠達(dá)到了207mAhg-1，超過其理論容量（170mAhg-1）的21%，因此是一種新型的超容量的納米正極材料。該材料有很好的穩(wěn)定性，在10℃下循環(huán)1000次之后仍能保持99%的容量。

（A）LiFePO4粒徑對重構(gòu)后容量的影響（黑點(diǎn)和藍(lán)點(diǎn)為理論值，紅點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)值）；（B-D）磷酸錳鐵鋰、磷酸錳鋰和磷酸鈷鋰普通包碳和超容量包碳的充放電曲線圖

團(tuán)隊通過量子化學(xué)理論計算和實(shí)驗(yàn)結(jié)合，揭示了納米超容量儲能的機(jī)理，該發(fā)現(xiàn)對開發(fā)新型的納米儲能材料有著重要的意義，人們可以通過設(shè)計配位基團(tuán)重構(gòu)界面殼層，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)超容量儲能，同時還可以提高納米材料應(yīng)用的穩(wěn)定性。該工作發(fā)表在近期的國際材料領(lǐng)域優(yōu)秀期刊NanoLetters（DOI：10.1021/acs.nanolett.7b02315，影響因子為12.7，自然發(fā)表指數(shù)雜志之一）上。該工作在潘鋒教授指導(dǎo)下，由段彥棟博士、張炳凱博士、鄭家新博士與2015級博士生胡江濤合作完成。該工作的重要合作者還有美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室KhalilAmine教授和YangRen教授、伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的Lin-WangWang和WanliYang教授、西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室Chong-MinWang教授。該項(xiàng)工作得到了國家新能源汽車（動力鋰電池）技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目、廣東省引進(jìn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市科技創(chuàng)新委基金、美國能源部以及深圳國家超算中心的支持。