www.8455.com在钠离子电池负极方面取得研究进展


新一轮能源革命已经到来,大力发展可再生能源发电与规模储能是实现产业转型和经济可持续发展的关键。我国新能源产业在近几年爆发式增长,但是由于风能、太阳能等新能源具有随机性和不确定性等缺点,在大规模接入电网的过程中会给电网的稳定性带来隐患。电化学储能具有稳定性好的优点,其中锂离子电池具有高能量密度、高功率密度和高工作电压,是现今重要储能设备之一。但是由于锂资源短缺导致锂成本增加,面向大规模储能应用受到较大影响。钠离子电池作为二次电池体系中的新星,其具有钠资源丰富、价格低廉等特点,结合其功率密度、能量密度、生产成本等诸多因素,钠离子电池的总体优势有望使其成为未来大规模储能系统应用发展的最佳选择。

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图1 钠离子电池大规模储能应用及关键材料组成

钠离子电池中正负极材料和电解质是最重要的组成部分,同时也决定了其电化学性能的优劣。目前研究的正极材料包括层状金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝以及有机正极材料等,负极材料包括转化类型、合金类型和碳材料等,电解质包括固体电解质、有机、水系等多种类型,不同电解质体系需要匹配不同的正负极材料。

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近日,材料类顶级国际期刊《Advanced Functional Materials》(《先进功能材料》,影响因子16.836)报道了www.8455.com材料澳门新浦8455最新网站陈人杰教授和谢嫚副教授的钠离子电池课题组在钠离子电池负极方面的研究进展,相关研究成果以“Fe2VO4 Nanoparticles Anchored on Ordered Mesoporous Carbon with Pseudocapacitive Behaviors for Efficient Sodium Storage”为题在线发表。江颖博士为第一编辑,谢嫚副教授、陈人杰教授为共同通讯编辑。

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图2 Fe2VO4@CMK-3复合物合成过程

与单金属氧化物相比,双金属氧化物在碱金属离子存储中表现出更高的电子/离子导电性和电化学活性。其中Fe2VO4具有原材料丰富、高的理论比容量等优点,在钠离子负极材料中得到广泛关注。然而,Fe2VO4颗粒很容易团聚,在循环过程中结构破坏严重,最终导致容量迅速衰减。基于此问题,采用水热和后续煅烧的方法制备了Fe2VO4@CMK-3复合材料。该材料集成了多重优势:有序介孔结构的CMK-3作为碳支架,显著提高导电性;散落在CMK-3表面的Fe2VO4暴露出更多的活性位点;纳米复合结构在循环过程中提供充足的体积膨胀缓冲空间。因此,应用于钠离子电池负极材料时,Fe2VO4@CMK-3复合物实现了稳定的循环性能。同时,Fe2VO4@CMK-3复合材料表现出高的赝电容贡献率(扫速为1.0 mV s?1,电容贡献为89.1%),促进了高倍率性能的实现。另外,与NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正极材料匹配,构建得到的NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2//Fe2VO4@CMK-3全电池表现出稳定的循环性能:在0.5 A g?1条件下循环500圈容量保持率为81%。该研究为钠离子电池负极材料的研究以及纳米复合结构材料的构建提供了一种新思路。

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图3 Fe2VO4@CMK-3全电池匹配及电化学性能

文献链接: 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

在吴锋院士的引导下和国家重点研发计划项目(高安全、长寿命和低成本钠基储能电池的基础科知识题研究,2016YFB0901500)的支撑下,钠离子电池课题组在钠离子电池关键材料领域开展了系统的研究工作。近三年来,在正极材料方面:通过优化合成工艺、结构设计调控、精确离子交换等方法合成了多种不同形貌高品质普鲁士蓝、锰基P2相正极等材料;在负极材料方面:采用结构调控手段、异质结构设计和动力学优化等多种设计方法合成了反应速率快、界面稳定、体积膨胀小的负极材料;团队多次参加澳门新浦8455最新网站生材料创新大赛、世纪杯、挑战杯以及中国互联网+创新创业大赛等比赛,获得第六届中国国际“互联网+”澳门新浦8455最新网站生创新创业大赛国家金奖1项,2020年北京市优秀创业团队一等奖等多个奖项。

近期相关工作如下:

1、《钠离子电池先进技术及应用》(谢嫚等著,电子工业出版社,2020,书号:ISBN 978-7-121-39913-8)。

2、Adv. Mater., 2020, 32, 2003534, https://doi.org/10.1002/adma.202003534, 一作:黄永鑫博士(通过构建含有1T和2H混合相得到三维 MoSSe@rGO结构,提升钠离子存储动力学)。

3、ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 23939?23950, https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c04481, 一作:罗锐博士(将锐钛矿TiO2封装进三维石墨烯气凝胶中,改善了TiO2电化学性能)。

4、Energy Storage Mater., 2019, 22, 376-383, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.02.015,一作:周佳辉博士(以超轻多孔的石墨烯气凝胶作为金属钠的骨架,构建了高负载的复合钠金属负极,从而实现金属钠负极的稳定循环)。

5、J Power Sources, 2019, 436, 226868, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.226868,一作:王紫恒博士(采用离子交换法合成了大比表面积核-壳结构普鲁士蓝材料,提升了结构稳定性和界面兼容性)。

6、Nano Energy, 2019, 60, 294–304, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.058, 一作:黄永鑫博士(通过Kirkendall效应合成FeOOH纳米棒结构,改善了电化学性能,匹配普鲁士蓝正极材料,具有应用前景)。

7、ChemElectroChem, 2019, 6, 2423–2429, https://doi.org/10.1002/celc.201900101, 一作:李帅杰硕士(通过引入离子液体合成离子液体凝胶聚合物电解质,并采用聚多巴胺包覆提升润湿性和相容性,得到高安全性、宽电化学窗口和高离子导电率电解质)。

8、Adv. Mater., 2019, 31, 1808393, https://doi.org/10.1002/adma.201808393,一作:黄永鑫博士(综述了钠离子电池电解质及电极/电解液界面的研究进展,对不同电极材料与电解液体系的匹配提出优化原则)。

9、ChemElectroChem, 2019, 6, 1400–1406, https://doi.org/10.1002/celc.201801704, 一作:赵露滋硕士(构建了多孔VO2纳米球裹入石墨烯结构,揭示赝电容存储机制,为钒氧化物在钠离子电池中的应用提供新的思路)。

10、J Mater Chem A, 2019, 7, 1315-1322, https://doi.org/10.1039/C8TA11419F,一作:江颖博士(通过一步水热方法合成三维VO2/MXene混合结构,提升VO2在钠离子电池中的循环稳定性)。

11、Nano Energy, 2018, 53, 524–535, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.09.010, 一作:黄永鑫博士(用简单水热法制备分层多孔Co0.85Se纳米片结构,提升了电子/离子传输能力,采用第一性原理对钠离子的扩散能垒进行了分析)。

12、Adv. Sci., 2018, 5, 1800613, https://doi.org/10.1002/advs.201800613, 一作:黄永鑫博士(在Sb2S3中引入In2S3,通过优化晶体结构实现材料电化学性能和钠储存特性的提升)。

13、Small, 2018, 14, 1801246, https://doi.org/10.1002/smll.201801246, 一作:黄永鑫博士(通过化学沉淀法合成中空-核-壳结构普鲁士蓝材料,有效缓解体积膨胀并实现界面特性的优化)。

14、J. Power Sources, 2018, 383, 80–86, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.02.053, 一作:罗锐博士(通过固相反应合成六角片状P2相锰基金属氧化物正极,揭示准固相反应机制,实现长寿命钠离子电池循环)。

15、Energy Storage Mater, 2018, 11, 100–111, http://dx.doi.org/10.1016/j.ensm.2017.10.004, 一作:黄永鑫博士(通过引入Ti合成Ti0.25Sn0.75S2,并与多壁碳纳米管结合,缓解体积膨胀并提升导电率,有效提高钠离子电池的稳定循环性)。

16、Nano Energy, 2017, 39, 273–283, http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.07.005, 一作:黄永鑫博士(通过缓蚀剂的加入和温度的控制,得到富边界结构普鲁士蓝材料,改善电极材料与电解液的界面相容性,有效增加钠离子传输路径)。

附编辑概况:

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江颖,www.8455.com材料科学与工程专业2019级博士研究生,导师为吴锋院士;主要研究方向为钠离子电池电极材料。在Advanced Functional Materials,Journal of Materials Chemistry A等期刊上发表SCI论文2篇。作为项目负责人参加第六届互联网+大赛,并获得北京市二等奖,多次参加挑战杯、世纪杯等项目比赛。

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谢嫚,副教授,主要从事新能源技术和绿色二次电池的开发与应用研究。重点研究方向为锂离子电池、钠离子电池、水系电池新体系的开发及关键材料的研究。目前作为项目负责人承担国家重点研发计划项目“高安全、长寿命、低成本钠基储能电池的基础科知识题研究”1项,作为骨干研究成员参与国家“973”计划项目、国家“863”计划项目等重大研究项目多项。获省部级科学技术一等奖1项。在Advanced Science, Nano Energy, Small等国际期刊上累计发表www.8455.com论文40余篇,出版www.8455.com专著1部。获授权国家发明专利近10项。曾入选北京市、镇江市科技人才创业计划,获得政府资金和政策支撑。作为引导教师带领新葡萄京8455官网参加科技创新、创业大赛,获国家金奖1项、北京市优秀创业团队一等奖等多项省部级奖项。

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陈人杰,教授、博导,国家部委能源专业组委员、中国材料研究学会理事(能源转换与存储材料分会秘书长)、中国固态离子学会理事、国际电化学能源科澳门新浦8455最新网站(IAOEES)理事、中国化工学会化工新材料专业委员会委员、中国电池工业协会全国电池行业专家。主要从事多电子高比能二次电池新体系及关键材料、新型离子液体及功能复合电解质材料、特种电源用新型薄膜材料与结构器件、绿色二次电池资源化再生等方面的教学和科研工作。主持承担了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、“863”计划项目、中央在京高校重大成果转化项目、北京市科技计划项目等课题。在Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、National Science Reviews、Advanced Materials、Nature Communications、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等期刊发表SCI论文200余篇;申请发明专利96项,获授权42项;获批App著作权10项,出版www.8455.com专著2部(《先进电池功能电解质材料》,科学出版社,2020年,书号:ISBN 978-7-03-060719-5;《多电子高比能锂硫二次电池》,科学出版社,2020年,书号:ISBN 978-7-03-060718-8)。获得国家技术发明二等奖1项、部级科学技术一等奖4项。入选教育部长江学者特聘教授、北京高等新葡萄京8455官网卓越青年科学家、中国工程前沿杰出青年学者、英国皇家化学学会会士、科睿唯安2020“全球高被引科学家”。


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