北理工在鈉離子電池關(guān)鍵材料研究方面取得系列進(jìn)展

發(fā)布日期：2019-04-22 供稿：材料學(xué)院

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　　日前，北理工陳人杰教授課題組設(shè)計(jì)研制了一系列新結(jié)構(gòu)組成、具有優(yōu)良性能的鈉離子電池正負(fù)極材料，并從電解質(zhì)材料角度深入論述了未來(lái)不同鈉離子電池體系研究的技術(shù)方向，在普魯士藍(lán)及其類(lèi)似物正極材料、金屬硫化物/硒化物材料、羥基氧化物負(fù)極材料等方面取得了創(chuàng)新突破。

　　上述成果均建立在團(tuán)隊(duì)多年針對(duì)鈉離子電池深入研究的基礎(chǔ)上。近年來(lái)，課題組先后創(chuàng)新研制了高品質(zhì)的普魯士藍(lán)正極材料（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8: 16078-16086 ； Nano Energy, 2017, 39: 273-283 ）和化學(xué)抑制劑調(diào)控的普魯士藍(lán)類(lèi)似物正極材料（ ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8: 31669?31676 ； Small，2018, 14: 1801246 ）、S摻雜改性實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)循環(huán)壽命和高倍率性能的硬碳負(fù)極材料（ Adv. Energy Mater., 2018, 8: 1703159 ），并采用電子結(jié)構(gòu)調(diào)控（ Energy Storage Mater., 2018, 11: 100-111 ）、異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（ Adv. Sci., 2018, 5, 1801246 ）和動(dòng)力學(xué)優(yōu)化（ Nano Energy, 2018, 11: 524-535 ）等創(chuàng)新思路有效改善了鈉離子電池電極材料反應(yīng)速率遲緩、儲(chǔ)鈉過(guò)程中體積膨脹和界面不穩(wěn)定等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了鈉離子電池關(guān)鍵材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)和整體性能的顯著提高。

　　鈉離子電池因與鋰離子電池具有相似的化學(xué)性質(zhì)、更豐富的資源、更低廉的成本，成為當(dāng)前新型二次電池研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。特別是面向太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的發(fā)展而建立大規(guī)模的電力存儲(chǔ)裝備需求方面，為了降低成本和延長(zhǎng)循環(huán)壽命，并滿足大電流充放要求，鈉離子電池（SIBs）被認(rèn)為是極具前景的選擇之一。

圖1（a）原位TEM分析FeOOH電極的儲(chǔ)鈉過(guò)程中體積形變和儲(chǔ)鈉機(jī)理（b）多孔FeOOH納米棒團(tuán)簇的合成過(guò)程示意圖（c）近邊結(jié)構(gòu)吸收光譜研究FeOOH的儲(chǔ)鈉機(jī)理

　　課題組在提高儲(chǔ)鈉動(dòng)力學(xué)系列工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)控合成過(guò)程中的液相反應(yīng)條件，引入刻蝕劑，制備了多孔FeOOH納米棒組成的花狀團(tuán)簇：通過(guò)與碳納米管復(fù)合進(jìn)一步改善了材料的電子電導(dǎo)率；得益于增大的比表面積和多孔的結(jié)構(gòu)，離子和電解液在電極中的擴(kuò)散被顯著提高；原位TEM觀察表明，Na⁺存儲(chǔ)后電極的體積膨脹被有效控制（84%），遠(yuǎn)低于一般轉(zhuǎn)化型負(fù)極材料的體積膨脹率（200-400%）；并利用同步輻射技術(shù)探明了完全放電狀態(tài)下FeOOH的不完全轉(zhuǎn)化儲(chǔ)鈉反應(yīng)機(jī)制。（ Nano Energy, 2019, 60: 294-304 ）

圖2 具有不同狀態(tài)（液體和固體）和組分（純相和混合相）的鈉離子電池電解質(zhì)和界面的模型，以及這些電解質(zhì)和相應(yīng)界面的主要性質(zhì)

　　作為鈉離子電池的重要組成部分，電解質(zhì)材料的研究開(kāi)發(fā)對(duì)于鈉離子電池整體性能的提高和器件的工程開(kāi)發(fā)具有重要作用。課題組對(duì)鈉離子電池電解質(zhì)和電極/電解質(zhì)界面的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)論述，分析了鈉離子電池用電解質(zhì)材料的主要分類(lèi)和不同體系的Na⁺傳輸機(jī)理；通過(guò)對(duì)各類(lèi)電解質(zhì)材料的物性分析和比較，對(duì)存在的科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)瓶頸進(jìn)行了闡述；從電解質(zhì)中鈉離子性質(zhì)、SEI膜主要組分和對(duì)應(yīng)功能等方面對(duì)相界面特性進(jìn)行了深入分析：通過(guò)對(duì)不同修飾技術(shù)的比較，闡述了相界面的修飾方法和原理；論述了固態(tài)電解質(zhì)層包覆技術(shù)，提出了界面改性的可行思路和有效手段。從電解質(zhì)工程化發(fā)展的角度探討了推動(dòng)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的進(jìn)程，提出了鈉離子電池電解質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)未來(lái)發(fā)展的總體架構(gòu)，闡明了各類(lèi)電解質(zhì)材料未來(lái)發(fā)展的應(yīng)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：黃永鑫博士)

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

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

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

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

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

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