發現新型單雙層二維材料及在鋰電池中應用

自石墨烯發現以來，單層與幾層二維材料成為科學研究和產業應用的持續熱點。1997年，Goodenough教授首次發現LiFePO₄（磷酸鐵鋰）材料在鋰電池中有優異的性能，這種材料具有結構穩定、循環可逆性好、安全性能好、環境友好（無毒）等優點，已應用在電動汽車動力電池領域，例如比亞迪電動車的所謂“鐵電池”用的正極材料就是LiFePO₄。

近日，在潘鋒教授的指導下，北京大學深圳研究生院新材料學院2014級直博生劉同超和博士后馮炎聰等人與團隊老師和同學合作，在學院前期研究基礎上開展了對LiFePO₄新型方法的研究。在合成新型LiFePO₄的過程中，他們意外發現了一種全新只有單層/雙層Fe₃(PO₄)₂·8H₂O二維材料，并實現了這種二維材料單雙層的可控制備。通過實驗和理論計算，他們全面揭示了單層/雙層Fe₃(PO₄)₂·8H₂O二維材料的形成機理，即在H₂O/乙二醇/晶體界面為模板的可控外延生長。

這種新型二維材料與碳黑球磨后做正極材料展現出優異的電池性能——0.1C容量可以達到185mAh/g，在10C下循環400次容量仍能保持98%以上，以及20C大倍率充放電時仍有107mAh/g的容量。更有趣的是，在這種二維材料的充放電中，出現了5-10nm的LiFePO₄納米晶晶體。該研究成果以“Formation of mono/bi-layer iron phosphate and nucleation  of LiFePO₄ nano-crystals  from amorphous 2D sheets in charge/discharge process for cathode in  high-performance Li-ion batteries”為題發表在最近一期的國際新能源材料頂級雜志Nano Energy上（doi:10.1016/j.nanoen.2015.10.016，SCI影響因子10.3）。

該工作的合作者還包括學院兼職教授，如林原教授、美國伯克利國家實驗室的Wangli  Yang教授、美國阿貢實驗室的Khalil  Amine教授等。該項工作得到了國家電動汽車動力電池重大專項，廣東省引進科技創新團隊項目、深圳孔雀計劃及深圳市科技創新基礎項目等基金的支持。