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学术进展

杨剑课题组锂/钠离子二次电池电极材料的研究取得重要进展

dangwei    March 7, 2016, 9:09 a.m.

 

近日,化学与化工学院钱逸泰院士团队杨剑教授课题组在高性能/钠离子二次电池电极材料的研究方面获得重要进展。论文以“Double-Walled Sb@TiO2−x Nanotubes as a Superior High-Rate and Ultralong-Lifespan Anode Material for Na-Ion and Li-Ion Batteries”为题,在线发表于材料领域顶级期刊《先进材料》(Advanced Materials2016DOI: 10.1002/adma.201505918IF=17.493)。

随着人们对能源需求的进一步增长,目前商用锂离子电池的功率和能量密度无法满足电动汽车对大功率高能量密度的需求,因此需要探寻高比容量的电极材料。同时锂资源地壳含量低且分布严重不均,也是锂离子电池未来发展的壁垒之一。钠在地壳的丰度远高于锂,并且和锂具有相似的物化性质,其能量和功率密度都可以相媲美于锂离子电池,尤其更适合应用于大型储能装置。但是目前钠离子电池的研究还处于初步阶段,因此通过改性电解液,探寻高比容量电极材料,可以进一步完善其电化学性能。锂\钠离子电池中,合金机制的负极材料具有较高的理论比容量,但是在锂\钠离子脱嵌过程中,面临体积膨胀效应(100% ~ 300%),导致电极材料表面生成的固体电解质膜不能稳定存在,循环稳定性变差。

针对上述存在的问题,杨剑教授课题组前期的研究工作表明,具有氧空位缺陷的二氧化钛包覆层是一种优异的界面包覆材料,在锂\钠离子脱嵌过程中体积变化小,热稳定性良好,安全性高。2013级博士生王娜娜在杨剑教授的指导下,通过水热合成-低温煅烧还原的制备过程,合成出了含有氧空位缺陷的二氧化钛包覆金属锑纳米颗粒的双层纳米管。这一独特的结构结合了二氧化钛包覆层的结构稳定性和金属锑的高比容量,管状结构有利于促进电解液和电极材料的接触面积,在/钠离子电池中都展现了非常优异的电化学性能。在钠电池的倍率性能中,13.2 A g-1的电流密度下可逆容量依然有312 mAh g-12.64 A g-1的电流密度下循环1000圈,可逆容量为~ 300 mAh g-1。与其他钠离子电池负极材料相比,亦位于前列。在此基础上,进一步成功地组装了锂离子和钠离子全电池,表明这种材料的实际应用潜力。锂离子全电池在3.77 kW kg-1的功率密度下,能量密度仍然保持了262 Wh kg-1。钠离子全电池在21 W kg-1下保持了~151 Wh kg-1。该工作为发展\钠离子电池的高比容量电极材料提供了一种新的思路。

近年来,杨剑教授课题组在新能源储能材料的氧缺陷应用方面取得了一系列成果,包括氧缺陷钒酸锂在锂离子电池的应用(Adv. Sci., 2015, 2, 1500090Highlighted by Materialsview china.com),氧缺陷二氧化钛包覆锰基材料在锂离子电池的应用(ACS Appl. Interface Mater.,  2015, 7, 10348),等等。上述研究得到了国家重大基础研究计划,国家重大仪器研制专项,国家自然科学基金面上项目,山东省泰山学者支持计划,山东省杰出青年基金等项目的支持。

论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201505918/full

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