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材料学院研发新型钠离子电池正极材料
发布日期:2017-12-29  字号:   【打印

近日,材料科学与工程学院科研团队成功制备出一种新型碳/硒复合正极材料,具有长寿命,低自放电,高容量等一系列优点,为开发高容量钠离子电池正极材料提供了新的思路。

钠离子因其在自然界中的储量高且价格低廉,被认为是可替代资源有限且成本较高的锂离子电池的下一代储能体系。VI主族元素硒,由于容量高且与成本较低的碳酸类电解质兼容,成为极具前景的钠离子电池正极材料。然而,由于目前此类材料的使用寿命和容量衰减,极大地限制了其进一步应用。

该院蒋阳教授团队与美国德州大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院可充电电池专家Arumugam Manthiram教授合作,成功揭示了块体硒失效机理。研究发现,充放电过程中形成的多硒化物在阴阳极之间的穿梭,导致块体硒在使用过程中逐渐失效,从而限制了其使用寿命和容量。研究采用分子动力学计算发现,钠离子只是在块体硒表面反应,无法进入块体硒内部参与反应。

在此理论研究基础上,该团队开发出氢氧化钾活化的三维自编织的碳纤维电极,这种新型的电极结构硒负载量高达72.1%,并采用将比表面积发达的三维多孔碳镀覆在玻璃纤维隔膜上等制备工艺,将硒分子簇限域在三维电极的孔隙内,从而抑制了多硒化物穿梭,克服了其带来的寿命和容量下降等问题。实验结果证明,在5倍放电倍率下,该新型电极材料容量仍高达每克382毫安时。且静置6个月后,电池性能未出现明显衰减。其相关成果发表在能源材料领域国际著名学术期刊《先进能源材料》上(Advanced Energy Materials,DOI: 10.1002/aenm.201701953,影响因子16.721,2013级材料物理与化学专业硕博连读生王辉为第一作者, 蒋阳教授和Arumugam Manthiram教授为共同通讯作者)。

同时,该团队选择开放的三维钠离子通道、多电子电极反应以及原料成本低立方结构的类普鲁士蓝化合物作为钠电池候选正极材料,理论计算出与石墨烯复合物的带隙趋于零的-电化学活性晶面,寻找出了有效抑制晶格缺陷,解决其电子电导较低的问题新途径。在室温条件下,该团队成功地开发出结晶面调控的,晶格缺陷大量减少的三维石墨烯包覆的普鲁士蓝立方纳米晶体正极材料。这种正极材料的首次充放电比容量高达每克159/161毫安时,在0.5 倍和10倍放电倍率下,循环 充放电1000次和500次后,容量保持为初始值的92.2%和90.1%。课题组与中国科学技术大学,国家同步辐射实验室的“千人计划”专家宋礼教授合作,利用X射线近边吸收精细光谱揭示了这种电极材料在充放电过程中结构变化的高度可逆性,从而进一步阐明上述电极材料优异电化学性能背后的微观机理。相关成果发表在英国皇家化学会的《材料化学A》上(Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 3569-3577,影响因子8.867,硕博生王辉为第一作者)。

此外,该团队针在三维钠离子超导体Na3V2(PO4)3正极材料进行了一系列的研究,他们采用高温固相反应法,自燃法等一系列方法成功的合成了高容量、倍率性能优异的Na3V2(PO4)3@C核壳纳米颗粒。理论计算揭示了Na3V2(PO4)3中三维钠离子的迁移路径和较低的活化能垒(0.292 eV),为该材料的进一步应用提供理论和实验支撑。系列研究成果发表在爱思唯尔的《电源学报》上,(Journal of Power Sources, 2014, 265, 325-334,Journal of Power Sources, 2015, 283, 187-194), 分别被引用82次和53次,均被列入2016年ESI高被引文章,入选该年度全球工程领域前1%行列。

项目的研究先后获得国家自然科学基金面上项目和大科学装置联合基金项目、脉冲强激光技术国家重点实验室开放基金以及国家留学基金委博士生联合培养项目的支持。

 

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图1 三维碳纤维/硒电极和电化学性能

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图2 多硒化物穿梭机理的理论阐释

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图3 石墨烯包覆的普鲁士蓝电极,电化学性能和充放电过程结构变化分析 

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图4 钠离子超导体Na3V2(PO4)3的电化学性能和钠离子迁移机理路径能垒图

 

 

(宣讯/文  王辉/图)  
编辑:周慧
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