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科学研究
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材料学院张云、吴昊团队在顶级期刊Advanced Energy Materials上发表论文——在碱金属离子电池研究方面取得重要进展

时间:2019-12-09  来源:   发布:金沙澳门官网网址 

近日,金沙澳门官网网址材料科学与工程学院张云教授、吴昊研究员课题组与澳大利亚卧龙岗大学窦世学院士、厦门大学张桥保教授合作,在高性能锂离子/钾离子电池研究方面取得重要进展,相关研究成果“Realizing Reversible Conversion-Alloying of Sb(V) in Polyantimonic Acid for Fastand Durable Lithium- and Potassium-ion Storage”发表在国际顶级期刊 Advanced Energy Materials上(《先进能源材料》,影响因子24.884),并被邀请作封面论文。该论文第一编辑为金沙澳门官网网址材料科学与工程学院2017级博士研究生王博雅,同时参与该论文相关工作的还有四位承担金沙澳门官网网址大学生创新训练计划项目的2016级本科生邓智文,夏钰婷(已获清华大学2020年保送研究生资格),胡佳璇,李泓岠(已获西湖大学2020年保送研究生资格),通讯编辑是吴昊研究员和张云教授,金沙澳门官网网址为第一署名单位和唯一通讯单位。

图1 封面展示:纳米八面体聚锑酸与石墨烯的复合材料实现了锂离子和钾离子的高性能存储

近些年来,研究者们开发了无数的电极材料用以在二次电池中存储碱金属离子(如Li+离子和K+离子)。但是,仅有很少的电极材料可以作为一个通用的主体材料用于存储碱金属离子。聚锑酸(Polyantimonic acid,PAA,H2Sb2O6·nH2O,0≤n≤4)是一种重要的锑基化合物,广泛用于制备防火材料,传感器和离子交换剂等,但未见将其应用于能量存储与转换。烧绿石结构的聚锑酸拥有着三维交联开放的隧道状结构以及五价的锑元素,使其非常有希翼成为一种高容量电极材料用于碱金属离子的电化学存储。然而,由于其极低的电子电导率(~10-10 S cm-1),目前制备电化学可逆的聚锑酸电极材料用于电化学储能仍然是一个挑战,且从未有过相关报道。

图2复合材料的制备流程与结构表征

因此,课题组研究人员通过纳米结构调控与导电网络构筑相结合的合成策略,成功设计并制备出一种新型的内部含空隙的聚锑酸纳米八面体与氮掺杂石墨烯结合的复合材料。与纯的聚锑酸(4.8×10-10 S cm-1)相比,聚锑酸/石墨烯复合材料的电子导电率提高了近10个数量级(3.3 S cm-1)。电化学测试表明,复合材料作为锂离子电池负极表现出了高达847 mAh g-1的可逆比容量。而且,聚锑酸独特的三维开放式隧道结构十分有利于离子的快速扩散(DLi+ =10-8 cm2 s-1),因而复合材料还具有极优异的快充快放的倍率特性,电池在20 A g-1的超高电流密度下,充放电一次仅需26秒。原位和非原位透射电子显微镜研究结果也表明,纳米八面体聚锑酸颗粒内部的空隙以及外部包覆的石墨烯可以容纳并限制材料在放电时产生的体积膨胀,从而极大地改善材料的循环性能,因此该复合材料也可稳定循环800次,容量保持率达93.5%。

图3 理论计算和原位透射电子显微镜表征

此外,研究还将该复合材料首次用于钾离子电池负极材料。循环测试结果表明,该复合材料不仅可以实现可逆的K+离子存储,同时还展现出优异的稳定循环性(1000次循环后,容量保持率为88%)。最后,通过第一性原理计算从理论上模拟并揭示了该复合材料的结构特点及其与材料导电性之间的内在联系。本研究不仅展示了聚锑酸作为一种高容量电极材料在锂离子、钾离子电池中的成功应用,也为其进一步开发并推广应用于其它类型二次电池奠定了重要的研究基础。

文章信息:

链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201903119

DOI:10.1002/aenm.201903119

该论文获得 “国家自然科学基金(21878192, 51502180)”,“中央高校基本科研专项资金(2016SCU04A18)”,“四川省千人计划”,“金沙澳门官网网址研究生科研创新基金(2018YJSY070)”的资助支撑。



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