近年來，手機、筆記本電腦等電子產(chǎn)品一直在向更輕更薄發(fā)展，其中，二次（充電）電池在保持大小不變或更小的情況下，續(xù)航能力卻要求不斷提升。此外，在新能源汽車時代，如何在有限的車體空間內(nèi)擁有更長續(xù)航里程的電量也是一個需要解決問題。為讓下一代鋰電池更輕便，天津大學科學團隊研制出了“硫模板法”。

針對日益增強的需求，研究學者一直致力于二次電池的性能提升研究。他們發(fā)現(xiàn)納米技術可以使電池“更輕”、“更快”，但由于納米材料較低的密度，“更小”成為橫亙在儲能領域科研工作者面前的一道難題。

近日，天津大學化工學院楊全紅教授及其研究團隊提出了一種“硫模板法”，他們通過對高體積能量密度鋰離子電池負極材料的設計，最終完成石墨烯對活性顆粒包裹的“量體裁衣”，使鋰離子電池變得“更小”成為可能。

在材料的性質(zhì)研究上，研究學者發(fā)現(xiàn)，雖然鋰離子電池已經(jīng)具有很高的能量密度，但是錫、硅等非碳材料有望取代目前商用石墨，大幅提高鋰離子電池的質(zhì)量能量密度。不過，這兩種材料的體積膨脹問題限制了其自身的應用和發(fā)展。

于是研究人員采用改進后的碳納米材料構建的碳籠結構解決了這一問題，基于石墨烯界面組裝，他們發(fā)明了對致密多孔碳籠精確定制的硫模板技術。

在采用毛細蒸發(fā)技術構建致密石墨烯網(wǎng)絡的過程中，研究人員引入硫作為一種可流動的體積模板，為非碳活性顆粒完成了石墨烯碳外衣的定制。實驗中，通過調(diào)制硫模板使用量，他們可以精確調(diào)控三維石墨烯碳籠結構，實現(xiàn)對非碳活性顆粒大小“合身”的包覆，從而在有效緩沖因非碳活性顆粒嵌鋰而導致的巨大體積膨脹，使其作為鋰離子電池負極表現(xiàn)出優(yōu)異的體積性能。

通過這項研究，楊全紅教授研究團隊成功解決了碳材料高密度和孔隙率“魚和熊掌不可兼得”的瓶頸問題，得到了高密度的多孔碳材料。

值得指出的是，這種基于石墨烯組裝的碳籠結構“量體裁衣”的設計思想可以拓展為普適化的下一代高能鋰離子電池和鋰硫電池、鋰空氣電池等電極材料的構建策略，從而使儲能電池有望實現(xiàn)“小體積”“高容量”，極大滿足用戶便攜性的需求。