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北理工在鈉離子電池關鍵材料研究方面取得系列進展

  日前,北理工陳人傑教授課題組設計研制了一系列新結構組成、具有優良性能的鈉離子電池正負極材料,並從電解質材料角度深入論述了未來不同鈉離子電池體系研究的技術方向,在普魯士藍及其類似物正極材料、金屬硫化物/硒化物材料、羟基氧化物負極材料等方面取得了創新突破。

  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。

  鈉離子電池因與锂離子電池具有相似的化學性質、更豐富的資源、更低廉的成本,成爲當前新型二次電池研究領域的熱點。特別是面向太陽能、風能等可再生能源的發展而建立大規模的電力存儲裝備需求方面,爲了降低成本和延長循環壽命,並滿足大電流充放要求,鈉離子電池(SIBs)被認爲是極具前景的選擇之一。

圖1(a)原位TEM分析FeOOH電極的儲鈉過程中體積形變和儲鈉機理(b)多孔FeOOH納米棒團簇的合成過程示意圖(c)近邊結構吸收光譜研究FeOOH的儲鈉機理

  課題組在提高儲鈉動力學系列工作的基礎上,通過調控合成過程中的液相反應條件,引入刻蝕劑,制備了多孔FeOOH納米棒組成的花狀團簇:通過與碳納米管複合進一步改善了材料的電子電導率;得益于增大的比表面積和多孔的結構,離子和電解液在電極中的擴散被顯著提高;原位TEM觀察表明,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

  作爲鈉離子電池的重要組成部分,電解質材料的研究開發對于鈉離子電池整體性能的提高和器件的工程開發具有重要作用。課題組對鈉離子電池電解質和電極/電解質界面的研究進展進行了系統論述,分析了鈉離子電池用電解質材料的主要分類和不同體系的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 )

 

上述代表性論文鏈接如下:

  1. Adv. Mater.,   2019, 1808393  (https://doi.org/10.1002/adma.201808393, IF = 21.95). (第一作者:黄永鑫博士)

  2. Adv. Energy Mater., 2018, 8: 1703159  (https://doi.org/10.1002/aenm.201703159, IF = 21.875). (第一作者:钱骥博士)

  3. Nano Energy, 2019, 60: 294-304  (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.058, IF = 13.12). (第一作者:黄永鑫博士)

  4.   Nano Energy, 2018, 11: 524-535  (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.09.010, IF = 13.12). (第一作者:黄永鑫博士)

  5. Nano Energy, 2017, 39:  273-283  (http://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.07.005, IF = 13.12). (第一作者:黄永鑫博士,谢嫚副教授)

  6. Adv. Sci., 2018, 5, 1801246  (https://doi.org/10.1002/advs.201800613, IF = 12.441). (第一作者:黄永鑫博士)

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