日本東北大學(xué)與東京大學(xué)組成的研究組于2016年5月14日宣布，開(kāi)發(fā)出了全固態(tài)鋰電池的新型負極材料“穿孔石墨烯分子（CNAP）”。這種材料可實(shí)現達到通用的石墨電極2倍以上的電容量，在充放電65次之后仍然能夠維持原本的容量。
長(cháng)期以來(lái)，鋰電池的負極材料一直使用重量輕、電容量大的石墨。最近，石墨烯、碳納米管等納米碳作為新型碳材料出現在市場(chǎng)上，使電池容量擴大到之前的2～3倍成為了可能。但納米碳是結構不唯一的復雜混合物，無(wú)法解明大容量化的原理和方針。因此，開(kāi)發(fā)具有部分納米碳結構的分子性物質(zhì)成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。
此次開(kāi)發(fā)的穿孔石墨烯分子是分子中央有納米級微孔的大環(huán)有機分子。以這種分子的固體物質(zhì)作為電極制造電池并進(jìn)行檢測的結果證實(shí)，這種分子是一種優(yōu)秀的電極材料。此次研究的著(zhù)眼點(diǎn)是開(kāi)發(fā)備受期待的新一代電池，即全固態(tài)電池，沒(méi)有采用常規電池使用的液體電解質(zhì)，而是采用固體電解質(zhì)。使用鋰離子傳導性高而且穩定的絡(luò )合氫化物作為固體電解質(zhì)，為這次的新發(fā)現創(chuàng )造了契機。
使用新負極分子材料的全固態(tài)鋰電池及其截面的電子顯微鏡圖
穿孔石墨烯分子進(jìn)入電子顯微鏡圖中灰白色的部分。發(fā)黑的部分是固體電解質(zhì) 。新負電極分子材料的運動(dòng)模式圖
借助鋰（黃色）在穿孔石墨烯分子的縫隙和微孔部分（藍色）的插入與脫離，進(jìn)行放電和充電。
另外，此次研究還發(fā)現，使用粉末X射線(xiàn)衍射的方法，穿孔石墨烯分子的固體會(huì )形成與石墨相似的層狀結構，并且可以使中央分子的微孔排成一線(xiàn)，形成微細、貫通的微孔結構。在石墨中，鋰只在層疊起來(lái)的碳層的間隙中累積，而在穿孔石墨烯分子中，鋰在納米級的間隙和微孔兩個(gè)地方累積，因此可以擴大容量。穿孔石墨烯分子可以使用非常普遍、產(chǎn)量很大的有機化合物“萘”制造。
此次研究的相關(guān)成果已于5月13日（中歐夏令時(shí)）在國際學(xué)術(shù)雜志《Small》上發(fā)表。發(fā)布材料科學(xué)新聞的網(wǎng)站“MaterialsViews.com”也將發(fā)文予以介紹。（特約撰稿人：工藤宗介）。
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