该成果以正封面文章的形式发表于近期J.,表现出

2019-11-09 01:29栏目:国际学校
TAG:

  钠离子电池代表着未来大规模廉价储能的重要发展方向,受到了广泛的关注和研究。该研究小组在前期高比能Na3V2(PO4)2O2F钠电正极材料研究成果的基础上,进一步成功设计了一类新型实用化锂/钠混合离子电池,表现出优异循环、倍率和低温等储能性能。该研究成果发表于Advanced Energy Materials上。此外,进一步还制备了Se基高性能复合负极材料3DSG,并与Na3V2(PO4)2O2F正极进行匹配,成功开发出了一类新型钠离子全电池3DSG//Na3V2(PO4)2O2F,表现出超长的循环使用寿命以及优异低温和倍率性能。该研究成果也发表于Advanced Energy Materials上。由于上述钠电相关研究成果表现出的良好应用前景,还基于此申请了5项相关的发明专利。

  作为下一代大规模储能电池,钠离子电池受到了广泛的关注。然而,其实用化进程仍面临许多巨大的挑战,例如,缺乏典型可实用化的关键材料、能量和功率密度偏低和循环寿命短等。为了解决这些难题,除了上述研究工作外,吴兴隆副教授课题组与校内外相关研究团队合作,还在高性能钠电材料研发方面取得了其他系列的研究进展,近期代表性工作包括:对于钠离子电池负极材料,在前期提出通过纳米化和构筑氧键提高储钠性能的基础上,进一步通过构筑碳纳米管基三维导电网络,使原本无储钠活性的均苯三甲酸钠表现出了优异的储钠性能。该成果以正封面文章的形式发表于近期J. Mater. Chem. A上。针对钠离子电池氧化物正极材料,在前期隧道结构锰酸钠正极的基础上,进一步对P2型层状氧化物材料进行了设计合成,并通过构筑石墨烯基导电网络,有效地提升了该类材料的倍率和循环等关键电化学性能。相应研究成果分别发表于ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 20650, J. Power Sources 2017, 356, 80和Chem. Eng. J. 2017, 316, 499上。

为了解决上述重要技术难题,该研究团队通过熔融烃辅助固相反应法成功构筑了一种三维石墨烯笼子,将Na3V2(PO4)3纳米片裹覆其中,构筑出一种特殊纳米阵列材料,设计方案具有简单、环保、有效等特点,而且可以作为一种的普适方法,拓展至其他电极材料的电化学性能改善,有望发展成具有快速充放和长循环寿命储能电池新技术。

必威 1

必威 2

  近日,我校化学学院新能源材料研究团队吴兴隆副教授课题组与中科院化学所郭玉国研究员合作,在国际著名材料类杂志Advanced Materials上发表了题为“High-Energy/Power and Low-Temperature Cathode for Sodium-Ion Batteries: In Situ XRD Study and Superior Full-Cell Performance”的文章,并申请了相关的专利,成功开发了一个新型高电压、高比能的钠离子电池磷酸盐正极材料Na3V2(PO4)2O2F。该材料用作钠离子电池正极时,表现出优异的循环、倍率、低温和全电池性能,不但有望应用于未来的高性能钠电中,也为进一步提升钠电能量密度开辟了新的途径。论文第一作者为博士一年级学生郭晋芝,该工作为其硕士阶段工作的积累和总结。

必威,论文链接:

  【小资料】Advanced Energy Materials和Advanced Science均是Wiley旗下的最新精英期刊。Advanced Energy Materials于2010年11月19日创刊,是一个跨学科的国际性英文期刊,集中报道与能源相关的材料研究领域的重要进展。它采取同行评审的稿件处理模式,主要刊登特邀综述、进展报告、研究论文和快讯,涵盖内容包括与能源采集、转换和存储相关的各个领域,比如光电效应、电池、超级电容器、热电效应、燃料电池和超导体,其影响因子在2015年达到新高16.146。Advanced Science是Wiley最新的、高品质的多学科开放获取期刊,刊载覆盖材料科学、物理、化学、医学、生命科学、以及工程学等领域的基础研究和应用研究,执行严格公正的评审制度,以最高质量为标准,出版前沿科学论文,将创造优质的开放获取期刊。

  近日,在锂/钠离子电池用先进电极材料领域,我校化学学院吴兴隆副教授研究小组连续在Advanced Materials和Advanced Energy Materials等国际著名学术期刊发表了系列重要研究成果。

  近三年来,新能源材料研发团队各研究小组,在团队带头人张景萍教授的带领下,在钠离子电池、锂硫电池、电池材料理论计算、传统锂离子电池和电化学超级电容器等研究方向上,已发表了研究论文35篇以上,申请了中国发明专利9项,形成了鲜明的研究特色,受到了国内外同行的广泛关注。

该研究工作获国家自然科学基金、教育部新世纪人才支持计划、高等学校博士学科点专项科研基金等项目的资助。

  课题组首先通过便捷的有机酸辅助干燥法成功构筑束状K3V2(PO4)3/C纳米线复合正极材料(Advanced Energy Materials, DOI: 10.1002/aenm.201500716),使用in-situ和ex-situXRD表征手段证实了该材料具有稳定的骨架结构,其作为钠离子电池正极材料能在100 mA g-1的电流密度下,初始容量可达119 mAh g-1,经过100次循环后容量稳定在118mAh g-1,放电容量保持率在循环2000次后仍达到99%。在该复合正极材料中,束状纳米线的包覆碳层既提高了电子电导率,又增强了K3V2(PO4)3束状纳米线结构的稳定性;K3V3(PO4)3骨架结构为K+提供扩大钠离子的传输通道,提高了其晶体结构的稳定性,两方面的协同作用使得束状K3V2(PO4)3/C纳米线复合正极材料具备优异的电化学性能。该工作还被Advanced Energy Materials评为VIP论文和封面,受到Wiley中国Materials Views网站专题评述。

  为解决金属硫化物用作锂/钠电负极材料时所面临的导电性差和体积变化率大等问题,吴兴隆研究小组在Advanced Materials上发表了题为“In Situ Encapsulating α-MnS into N,S-Codoped Nanotube-Like Carbon as Advanced Anode Material: α→β Phase Transition Promoted Cycling Stability and Superior Li/Na-Storage Performance in Half/Full Cells”的研究论文。在该论文中,活性α-MnS纳米颗粒被原位封装入氮硫共掺杂的碳纳米管中,成功设计制备了一个新颖的锂/钠离子电池用高性能负极材料α-MnS@N,S-NTC,表现出优异的电化学储锂/钠和全电池性能。如下图1所示,该论文还首次揭示了首圈充放电过程中自发的电化学α→β相变反应,及其对储锂稳定性的促进作用。

本网讯 近日,我校材料学院梁叔全教授研究团队以第一完成单位、第一作者、第一通讯作者在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials,IF=16.721)上在线发表研究论文“Chemical Synthesis of 3D Graphene-Like Cages for Sodium-Ion Batteries Applications”(DOI: 10.1002/aenm.201700797)。该刊物是材料、能源、环境领域的国际顶级期刊,在Google能源学科领域和化学物理领域所有杂志中均排名第三。该论文是学校拔尖博士校长奖学金获得者曹鑫鑫博士,在梁叔全教授、潘安强教授及美国西北太平洋国家实验室刘俊教授共同指导下完成的。这是该研究团队近几年继在《Ener.& Envir.Sci.》(IF=25.4)、《Nano Energy》(IF=12.3)等国际顶级期刊发表的第6篇IF≥10的高影响因子研究论文。

必威 3

图2钠离子全电池3DSG//Na3V2(PO4)2O2F的示意图及其倍率和超长寿命循环性能

锂离子电池已经广泛的被应用在便携式电子产品、电动汽车及大型储能设备中,然而,锂的储量是有限的,且分布不均。一直以来科研人员都在努力寻找新电池,钠在地壳中储量非常丰富,具有和锂相似的物理化学性质和电化学储存机制,因此在大规模储能应用领域发展室温钠离子电池技术具有十分重要的战略意义。然而,受Na离子半径较大制约,反复嵌入/脱出极易导致材料结构塌陷,引起容量的衰减,开发难度很大。在众多的钠离子正极材料中,具有NASICON结构的磷酸钒钠(Na3V2(PO4)3),结构稳定、电压平台高、热稳定性佳等优点而备受关注。然而,其电子电导率低的属性严重制约其长循环寿命和快速充放性能。

近日,我校麦立强课题组在新型电极材料构筑领域取得最新研究成果,相关论文成功发表在Advanced Energy Materials, Advanced Science等杂志上,该研究得到了国家杰出青年基金和国家重点基础研究发展计划等项目资助。

图1 α-MnS@N,S-NTC复合负极材料的储锂过程示意图及其长循环性能

三维石墨烯笼子有效抑制了高温热处理过程Na3V2(PO4)3纳米片生长,始终保持纳米尺度,从而有效抑制材料充放电过程中的体积变化、防止其团聚,同时还可以高速输送钠离子和电子到每个活性纳米颗粒表面,缩短了充放电过程中Na离子的扩散距离。从而真正发挥纳米结构电极材料的动力学优势,实现兼具高容量和高倍率性能的钠离子电池正极材料。此外,将Na3V2(PO4)3纳米片阵列材料刻蚀后可得到富含缺陷的笼子状三维石墨烯材料,该材料作为钠离子电池负极,表现出优异的储钠性能。

  课题组进一步通过氧化还原模板法与真空热处理设计并构筑了石墨烯包覆无定形钒酸铜纳米花结构。研究发现,这种无定形结构显示出超高的电容特性,高扫速下其电容控制的容量比例能高达84%,有助于提高倍率性能。同时,研究发现钒酸铜在首次放电过程中形成金属铜,能有效增强电极材料的电导率,提高循环性能。该钒酸铜纳米花由多孔纳米片构成,可以提供更多电解液接触空间,实现了储锂性能的大幅度改善。相比于未包覆石墨烯无定形钒酸铜纳米花与结晶的钒酸铜,石墨烯包覆无定形钒酸铜纳米花结构显示出了最优异的循环稳定性和倍率性能:在100 mA g-1低电流密度下100圈循环后依然保持着1145 mA h g-1的超高比容量,在高电流密度20 A g-1下7000圈循环后其容量依然保持在672.5 mA h g-1。该工作受到了Wiley中国Materials Views网站专题评述。

必威 4

必威 5

版权声明:本文由必威发布于国际学校,转载请注明出处:该成果以正封面文章的形式发表于近期J.,表现出