北理工在鈉離子電池負(fù)極方面取得研究進(jìn)展
發(fā)布日期：2021-03-23 供稿：材料學(xué)院
編輯：牟雪嬌 審核：金海波 閱讀次數(shù)：新一輪能源革命已經(jīng)到來(lái)，大力發(fā)展可再生能源發(fā)電與規(guī)模儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)在近幾年爆發(fā)式增長(zhǎng)，但是由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源具有隨機(jī)性和不確定性等缺點(diǎn)，在大規(guī)模接入電網(wǎng)的過(guò)程中會(huì)給電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來(lái)隱患。電化學(xué)儲(chǔ)能具有穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，其中鋰離子電池具有高能量密度、高功率密度和高工作電壓，是現(xiàn)今重要儲(chǔ)能設(shè)備之一。但是由于鋰資源短缺導(dǎo)致鋰成本增加，面向大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用受到較大影響。鈉離子電池作為二次電池體系中的新星，其具有鈉資源豐富、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，結(jié)合其功率密度、能量密度、生產(chǎn)成本等諸多因素，鈉離子電池的總體優(yōu)勢(shì)有望使其成為未來(lái)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展的最佳選擇。
圖1 鈉離子電池大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用及關(guān)鍵材料組成
鈉離子電池中正負(fù)極材料和電解質(zhì)是最重要的組成部分，同時(shí)也決定了其電化學(xué)性能的優(yōu)劣。目前研究的正極材料包括層狀金屬氧化物、聚陰離子化合物、普魯士藍(lán)以及有機(jī)正極材料等，負(fù)極材料包括轉(zhuǎn)化類(lèi)型、合金類(lèi)型和碳材料等，電解質(zhì)包括固體電解質(zhì)、有機(jī)、水系等多種類(lèi)型，不同電解質(zhì)體系需要匹配不同的正負(fù)極材料。
近日，材料類(lèi)頂級(jí)國(guó)際期刊《Advanced Functional Materials》（《先進(jìn)功能材料》，影響因子16.836）報(bào)道了北京理工大學(xué)材料學(xué)院陳人杰教授和謝嫚副教授的鈉離子電池課題組在鈉離子電池負(fù)極方面的研究進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Fe2VO4 Nanoparticles Anchored on Ordered Mesoporous Carbon with Pseudocapacitive Behaviors for Efficient Sodium Storage”為題在線發(fā)表。江穎博士為第一作者，謝嫚副教授、陳人杰教授為共同通訊作者。
圖2 Fe2VO4@CMK-3復(fù)合物合成過(guò)程
與單金屬氧化物相比，雙金屬氧化物在堿金屬離子存儲(chǔ)中表現(xiàn)出更高的電子/離子導(dǎo)電性和電化學(xué)活性。其中Fe2VO4具有原材料豐富、高的理論比容量等優(yōu)點(diǎn)，在鈉離子負(fù)極材料中得到廣泛關(guān)注。然而，F(xiàn)e2VO4顆粒很容易團(tuán)聚，在循環(huán)過(guò)程中結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，最終導(dǎo)致容量迅速衰減。基于此問(wèn)題，采用水熱和后續(xù)煅燒的方法制備了Fe2VO4@CMK-3復(fù)合材料。該材料集成了多重優(yōu)勢(shì)：有序介孔結(jié)構(gòu)的CMK-3作為碳支架，顯著提高導(dǎo)電性；散落在CMK-3表面的Fe2VO4暴露出更多的活性位點(diǎn)；納米復(fù)合結(jié)構(gòu)在循環(huán)過(guò)程中提供充足的體積膨脹緩沖空間。因此，應(yīng)用于鈉離子電池負(fù)極材料時(shí)，F(xiàn)e2VO4@CMK-3復(fù)合物實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的循環(huán)性能。同時(shí)，F(xiàn)e2VO4@CMK-3復(fù)合材料表現(xiàn)出高的贗電容貢獻(xiàn)率（掃速為1.0 mV s?1，電容貢獻(xiàn)為89.1%），促進(jìn)了高倍率性能的實(shí)現(xiàn)。另外，與NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正極材料匹配，構(gòu)建得到的NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2//Fe2VO4@CMK-3全電池表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能：在0.5 A g?1條件下循環(huán)500圈容量保持率為81%。該研究為鈉離子電池負(fù)極材料的研究以及納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)建提供了一種新思路。
圖3 Fe2VO4@CMK-3全電池匹配及電化學(xué)性能
文獻(xiàn)鏈接： Fe2VO4 Nanoparticles Anchored on Ordered Mesoporous Carbon with Pseudocapacitive Behaviors for Efficient Sodium Storage. Adv. Funct. Mater. 2021, 2009756. https://doi.org/10.1002/adfm.202009756
在吳鋒院士的指導(dǎo)下和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（高安全、長(zhǎng)壽命和低成本鈉基儲(chǔ)能電池的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究，2016YFB0901500）的支持下，鈉離子電池課題組在鈉離子電池關(guān)鍵材料領(lǐng)域開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作。近三年來(lái)，在正極材料方面：通過(guò)優(yōu)化合成工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控、精確離子交換等方法合成了多種不同形貌高品質(zhì)普魯士藍(lán)、錳基P2相正極等材料；在負(fù)極材料方面：采用結(jié)構(gòu)調(diào)控手段、異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)優(yōu)化等多種設(shè)計(jì)方法合成了反應(yīng)速率快、界面穩(wěn)定、體積膨脹小的負(fù)極材料；團(tuán)隊(duì)多次參加大學(xué)生材料創(chuàng)新大賽、世紀(jì)杯、挑戰(zhàn)杯以及中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等比賽，獲得第六屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國(guó)家金獎(jiǎng)1項(xiàng)，2020年北京市優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)一等獎(jiǎng)等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。
近期相關(guān)工作如下：
1、《鈉離子電池先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用》（謝嫚等著，電子工業(yè)出版社，2020，書(shū)號(hào)：ISBN 978-7-121-39913-8）。
2、Adv. Mater., 2020, 32, 2003534, https://doi.org/10.1002/adma.202003534, 一作：黃永鑫博士（通過(guò)構(gòu)建含有1T和2H混合相得到三維 MoSSe@rGO結(jié)構(gòu)，提升鈉離子存儲(chǔ)動(dòng)力學(xué)）。
3、ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 23939?23950, https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c04481, 一作：羅銳博士（將銳鈦礦TiO2封裝進(jìn)三維石墨烯氣凝膠中，改善了TiO2電化學(xué)性能）。
4、Energy Storage Mater., 2019, 22, 376-383, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.02.015，一作：周佳輝博士（以超輕多孔的石墨烯氣凝膠作為金屬鈉的骨架，構(gòu)建了高負(fù)載的復(fù)合鈉金屬負(fù)極，從而實(shí)現(xiàn)金屬鈉負(fù)極的穩(wěn)定循環(huán)）。
5、J Power Sources, 2019, 436, 226868, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.226868，一作：王紫恒博士（采用離子交換法合成了大比表面積核-殼結(jié)構(gòu)普魯士藍(lán)材料，提升了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和界面兼容性）。
6、Nano Energy, 2019, 60, 294–304, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.058, 一作：黃永鑫博士（通過(guò)Kirkendall效應(yīng)合成FeOOH納米棒結(jié)構(gòu)，改善了電化學(xué)性能，匹配普魯士藍(lán)正極材料，具有應(yīng)用前景）。
7、ChemElectroChem, 2019, 6, 2423–2429, https://doi.org/10.1002/celc.201900101, 一作：李帥杰碩士（通過(guò)引入離子液體合成離子液體凝膠聚合物電解質(zhì)，并采用聚多巴胺包覆提升潤(rùn)濕性和相容性，得到高安全性、寬電化學(xué)窗口和高離子導(dǎo)電率電解質(zhì)）。
8、Adv. Mater., 2019, 31, 1808393， https://doi.org/10.1002/adma.201808393，一作：黃永鑫博士（綜述了鈉離子電池電解質(zhì)及電極/電解液界面的研究進(jìn)展，對(duì)不同電極材料與電解液體系的匹配提出優(yōu)化原則）。
9、ChemElectroChem, 2019, 6, 1400–1406, https://doi.org/10.1002/celc.201801704, 一作：趙露滋碩士（構(gòu)建了多孔VO2納米球裹入石墨烯結(jié)構(gòu)，揭示贗電容存儲(chǔ)機(jī)制，為釩氧化物在鈉離子電池中的應(yīng)用提供新的思路）。
10、J Mater Chem A, 2019, 7, 1315-1322， https://doi.org/10.1039/C8TA11419F，一作：江穎博士（通過(guò)一步水熱方法合成三維VO2/MXene混合結(jié)構(gòu)，提升VO2在鈉離子電池中的循環(huán)穩(wěn)定性）。
11、Nano Energy, 2018, 53, 524–535, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.09.010, 一作：黃永鑫博士（用簡(jiǎn)單水熱法制備分層多孔Co0.85Se納米片結(jié)構(gòu)，提升了電子/離子傳輸能力，采用第一性原理對(duì)鈉離子的擴(kuò)散能壘進(jìn)行了分析）。
12、Adv. Sci., 2018, 5, 1800613, https://doi.org/10.1002/advs.201800613, 一作：黃永鑫博士（在Sb2S3中引入In2S3，通過(guò)優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)材料電化學(xué)性能和鈉儲(chǔ)存特性的提升）。
13、Small, 2018, 14, 1801246, https://doi.org/10.1002/smll.201801246, 一作：黃永鑫博士（通過(guò)化學(xué)沉淀法合成中空-核-殼結(jié)構(gòu)普魯士藍(lán)材料，有效緩解體積膨脹并實(shí)現(xiàn)界面特性的優(yōu)化）。
14、J. Power Sources, 2018, 383, 80–86, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.02.053, 一作：羅銳博士（通過(guò)固相反應(yīng)合成六角片狀P2相錳基金屬氧化物正極，揭示準(zhǔn)固相反應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命鈉離子電池循環(huán)）。
15、Energy Storage Mater, 2018, 11, 100–111, http://dx.doi.org/10.1016/j.ensm.2017.10.004, 一作：黃永鑫博士（通過(guò)引入Ti合成Ti0.25Sn0.75S2，并與多壁碳納米管結(jié)合，緩解體積膨脹并提升導(dǎo)電率，有效提高鈉離子電池的穩(wěn)定循環(huán)性）。
16、Nano Energy, 2017, 39, 273–283, http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.07.005, 一作：黃永鑫博士（通過(guò)緩蝕劑的加入和溫度的控制，得到富邊界結(jié)構(gòu)普魯士藍(lán)材料，改善電極材料與電解液的界面相容性，有效增加鈉離子傳輸路徑）。
附作者簡(jiǎn)介：
江穎，北京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)2019級(jí)博士研究生，導(dǎo)師為吳鋒院士；主要研究方向?yàn)殁c離子電池電極材料。在Advanced Functional Materials，Journal of Materials Chemistry A等期刊上發(fā)表SCI論文2篇。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人參加第六屆互聯(lián)網(wǎng)+大賽，并獲得北京市二等獎(jiǎng)，多次參加挑戰(zhàn)杯、世紀(jì)杯等項(xiàng)目比賽。
謝嫚，副教授，主要從事新能源技術(shù)和綠色二次電池的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究。重點(diǎn)研究方向?yàn)殇囯x子電池、鈉離子電池、水系電池新體系的開(kāi)發(fā)及關(guān)鍵材料的研究。目前作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“高安全、長(zhǎng)壽命、低成本鈉基儲(chǔ)能電池的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究”1項(xiàng)，作為骨干研究成員參與國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目等重大研究項(xiàng)目多項(xiàng)。獲省部級(jí)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。在Advanced Science, Nano Energy, Small等國(guó)際期刊上累計(jì)發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，出版學(xué)術(shù)專(zhuān)著1部。獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利近10項(xiàng)。曾入選北京市、鎮(zhèn)江市科技人才創(chuàng)業(yè)計(jì)劃，獲得政府資金和政策支持。作為指導(dǎo)教師帶領(lǐng)學(xué)生參加科技創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)大賽，獲國(guó)家金獎(jiǎng)1項(xiàng)、北京市優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)一等獎(jiǎng)等多項(xiàng)省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)。
陳人杰，教授、博導(dǎo)，國(guó)家部委能源專(zhuān)業(yè)組委員、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)理事（能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)材料分會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)）、中國(guó)固態(tài)離子學(xué)會(huì)理事、國(guó)際電化學(xué)能源科學(xué)院（IAOEES）理事、中國(guó)化工學(xué)會(huì)化工新材料專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)電池工業(yè)協(xié)會(huì)全國(guó)電池行業(yè)專(zhuān)家。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關(guān)鍵材料、新型離子液體及功能復(fù)合電解質(zhì)材料、特種電源用新型薄膜材料與結(jié)構(gòu)器件、綠色二次電池資源化再生等方面的教學(xué)和科研工作。主持承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、“863”計(jì)劃項(xiàng)目、中央在京高校重大成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目等課題。在Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、National Science Reviews、Advanced Materials、Nature Communications、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等期刊發(fā)表SCI論文200余篇；申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利96項(xiàng)，獲授權(quán)42項(xiàng)；獲批軟件著作權(quán)10項(xiàng)，出版學(xué)術(shù)專(zhuān)著2部（《先進(jìn)電池功能電解質(zhì)材料》，科學(xué)出版社，2020年，書(shū)號(hào)：ISBN 978-7-03-060719-5；《多電子高比能鋰硫二次電池》，科學(xué)出版社，2020年，書(shū)號(hào)：ISBN 978-7-03-060718-8）。獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、部級(jí)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)4項(xiàng)。入選教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、北京高等學(xué)校卓越青年科學(xué)家、中國(guó)工程前沿杰出青年學(xué)者、英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士、科睿唯安2020“全球高被引科學(xué)家”。
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