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腾博会娱乐官网在钠离子电池关键材料研究方面取得系列进展

供稿: 材料学院 编辑: 邵泽
(2019-04-22) 阅读次数:
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  日前,腾博会娱乐官网陈人杰教授课题组设计研制了一系列新结构组成、具有优良性能的钠离子电池正负极材料,并从电解质材料角度深入论述了未来不同钠离子电池体系研究的技术方向,在普鲁士蓝及其类似物正极材料、金属硫化物/硒化物材料、羟基氧化物负极材料等方面取得了创新突破。

  上述成果均建立在团队多年针对钠离子电池深入研究的基础上。近年来,课题组先后创新研制了高品质的普鲁士蓝正极材料(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8: 16078-16086 ; Nano Energy, 2017, 39:   273-283 )和化学抑制剂调控的普鲁士蓝类似物正极材料( ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8: 31669−31676 ; Small,2018, 14: 1801246 )、S掺杂改性实现长循环寿命和高倍率性能的硬碳负极材料( Adv. Energy Mater., 2018, 8: 1703159 ),并采用电子结构调控( Energy Storage Mater., 2018, 11: 100-111 )、异质结构设计( Adv. Sci., 2018, 5, 1801246 )和动力学优化( Nano Energy, 2018, 11: 524-535 )等创新思路有效改善了钠离子电池电极材料反应速率迟缓、储钠过程中体积膨胀和界面不稳定等关键技术问题,实现了钠离子电池关键材料的优化设计和整体性能的显著提高。

  钠离子电池因与锂离子电池具有相似的化学性质、更丰富的资源、更低廉的成本,成为当前新型二次电池研究领域的热点。特别是面向太阳能、风能等可再生能源的发展而建立大规模的电力存储装备需求方面,为了降低成本和延长循环寿命,并满足大电流充放要求,钠离子电池(SIBs)被认为是极具前景的选择之一。

图1(a)原位TEM分析FeOOH电极的储钠过程中体积形变和储钠机理(b)多孔FeOOH纳米棒团簇的合成过程示意图(c)近边结构吸收光谱研究FeOOH的储钠机理

  课题组在提高储钠动力学系列工作的基础上,通过调控合成过程中的液相反应条件,引入刻蚀剂,制备了多孔FeOOH纳米棒组成的花状团簇:通过与碳纳米管复合进一步改善了材料的电子电导率;得益于增大的比表面积和多孔的结构,离子和电解液在电极中的扩散被显著提高;原位TEM观察表明,Na+存储后电极的体积膨胀被有效控制(84%),远低于一般转化型负极材料的体积膨胀率(200-400%);并利用同步辐射技术探明了完全放电状态下FeOOH的不完全转化储钠反应机制。( Nano Energy, 2019, 60: 294-304 )

图2 具有不同状态(液体和固体)和组分(纯相和混合相)的钠离子电池电解质和界面的模型,以及这些电解质和相应界面的主要性质

  作为钠离子电池的重要组成部分,电解质材料的研究开发对于钠离子电池整体性能的提高和器件的工程开发具有重要作用。课题组对钠离子电池电解质和电极/电解质界面的研究进展进行了系统论述,分析了钠离子电池用电解质材料的主要分类和不同体系的Na+传输机理;通过对各类电解质材料的物性分析和比较,对存在的科学问题和技术瓶颈进行了阐述;从电解质中钠离子性质、SEI膜主要组分和对应功能等方面对相界面特性进行了深入分析:通过对不同修饰技术的比较,阐述了相界面的修饰方法和原理;论述了固态电解质层包覆技术,提出了界面改性的可行思路和有效手段。从电解质工程化发展的角度探讨了推动钠离子电池产业化发展的进程,提出了钠离子电池电解质关键技术未来发展的总体架构,阐明了各类电解质材料未来发展的应用前景。( Adv. Mater.,   2019, 1808393 )

 

上述代表性论文链接如下:

  1. Adv. Mater.,   2019, 1808393  (javascript:;, IF = 21.95). (第一作者:黄永鑫博士)

  2. Adv. Energy Mater., 2018, 8: 1703159  (javascript:;, IF = 21.875). (第一作者:钱骥博士)

  3. Nano Energy, 2019, 60: 294-304  (javascript:;, IF = 13.12). (第一作者:黄永鑫博士)

  4.   Nano Energy, 2018, 11: 524-535  (javascript:;, IF = 13.12). (第一作者:黄永鑫博士)

  5. Nano Energy, 2017, 39:  273-283  (javascript:;, IF = 13.12). (第一作者:黄永鑫博士,谢嫚副教授)

  6. Adv. Sci., 2018, 5, 1801246  (javascript:;, IF = 12.441). (第一作者:黄永鑫博士)


(审核:马壮)

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