中南大學納米能源團隊在國際頂級學術(shù)期刊《Advanced Energy Materials》上發(fā)表最新研究成果
近日,我院梁叔全教授研究團隊在《先進能源材料》(Advanced Energy Materials, IF=16.721)上在線發(fā)表研究論文“Chemical Synthesis of 3D Graphene-Like Cages for Sodium-Ion Batteries Applications”(DOI: 10.1002/aenm.201700797),該刊物是材料、能源、環(huán)境領域的國際頂級期刊,在Google能源學科領域所有雜志中排名第三,在化學與物理領域排名第三。這是學院為第一完成單位、第一作者、第一通訊作者首次在此刊物上發(fā)表的第一篇研究性論文,該論文是學校拔尖博士校長獎學金獲得者曹鑫鑫,在梁叔全教授、潘安強教授及美國西北太平洋國家實驗室劉俊教授共同指導下完成的。這是該研究團隊近幾年繼在《Ener.& Envir.Sci.》(2013,IF=25.4)、《Nano Energy》(2015,2016,IF=12.3)國際頂級期刊發(fā)表的第6篇IF≥10的高影響因子研究論文。
鋰離子電池已經(jīng)廣泛的被應用在便攜式電子產(chǎn)品、電動汽車及大型儲能設備中,然而,鋰的儲量是有限的,且分布不均。一直以來科研人員都在努力尋找新電池,鈉在地殼中儲量非常豐富,具有和鋰相似的物理化學性質(zhì)和電化學儲存機制,因此在大規(guī)模儲能應用領域發(fā)展室溫鈉離子電池技術(shù)具有十分重要的戰(zhàn)略意義。然而,受Na離子半徑較大制約,反復嵌入/脫出極易導致材料結(jié)構(gòu)塌陷,引起容量的衰減,開發(fā)難度很大。在眾多的鈉離子正極材料中,具有NASICON結(jié)構(gòu)的磷酸釩鈉(Na3V2(PO4)3),結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電壓平臺高、熱穩(wěn)定性佳等優(yōu)點而備受關(guān)注。然而,其低的電子電導率嚴重制約其長循環(huán)壽命和快速充放性能。
為了解決上述重要技術(shù)難題,學院研究團隊通過熔融烴輔助固相反應法成功構(gòu)筑了一種三維石墨烯籠子,將Na3V2(PO4)3納米片裹覆其中,構(gòu)筑出一種特殊納米陣列材料,設計方案具有簡單、環(huán)保、有效等特點,而且可以作為一種的普適方法,拓展至其他電極材料的電化學性能改善,有望發(fā)展成具有快速充放和長循環(huán)壽命儲能電池新技術(shù)。
三維石墨烯籠子有效抑制了高溫熱處理過程Na3V2(PO4)3納米片生長,始終保持納米尺度,從而有效抑制材料充放電過程中的體積變化、防止其團聚,同時還可以高速輸送鈉離子和電子到每個活性納米顆粒表面,縮短了充放電過程中Na離子的擴散距離。從而真正發(fā)揮納米結(jié)構(gòu)電極材料的動力學優(yōu)勢,實現(xiàn)兼具高容量和高倍率性能的鈉離子電池正極材料。此外,將Na3V2(PO4)3納米片陣列材料刻蝕后可得到富含缺陷的籠子狀三維石墨烯材料,該材料作為鈉離子電池負極,表現(xiàn)出優(yōu)異的儲鈉性能。
該研究工作獲國家自然科學基金、教育部新世紀人才支持計劃、高等學校博士學科點專項科研基金等項目的資助。
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