材料学院研发新型碳负极材料有望实现钠离子电

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  • 时间:2018-10-02 16:46
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近日,该校材料科学与工程学院项宏发教授及其科研团队,成功制备出一种新型碳负极材料,具有优异的倍率性能、较高的可逆储钠容量和放电效率,为研发高容量可快充钠离子电池用碳负极材料提供了新的研究路径。其相关成果发表在能源材料领域国际著名学术期刊《先进能源材料》上(Advanced Energy Materials,DOI: 10.1002/aenm.201702434,影响因子16.71,2015级硕士生鲁鹏和教师孙毅为共同第一作者)。 随着新能源汽车用动力电池的快速发展,锂资源有限和价格较高的问题日益凸显。而钠与锂的性质相近,在自然界中的储量高且价格低廉,因此钠离子电池被科学界和产业界认为是可替代锂离子电池的下一代储能体系。负极材料对锂/钠离子电池的快充和倍率性能的影响至关重要,由于钠离子的离子半径远大于锂离子,目前适用于锂离子电池的石墨类负极材料已不适用于钠离子电池,开发高性能非石墨类碳负极材料对于钠离子电池的发展具有重要意义。 据介绍,无定形碳材料是目前已报道钠离子电池负极材料中最有可能实用化的材料体系,在其中适当引入孔隙结构、增加无序微区的含量,有望获得高容量、可快充的性能特征。由于高孔隙率带来了过高的比表面积会降低材料的首次放电效率和循环性能,保留一定的有序微区结构对于材料的导电性至关重要,然而,合适的孔隙结构和无序/有序微区比例的调控仍存在较大的技术困难。 针对上述问题,项宏发教授及其科研团队利用氯化钠模板法结合优化的碳源组成制备出的三维无定形碳材料(3DAC),实现了对其微观孔隙与微区结构的有效调控,一方面,利用氯化钠模板在不显著提高比表面积的前提下适当引入介孔(孔径为2~50 nm)和大孔(孔径>50 nm);另一方面,利用碳源的组成优化和氯化钠模板的限域作用,实现无序/有序微区比例的调控,从而在提高碳负极材料倍率性能的同时具有较高的库伦效率和循环性能。 实验数据表明,这一新型碳负极材料可在9.6安培每克的电流密度下充放电,获得的储钠容量与其他材料在相近电流密度下相比提升了一倍,且充放电600次后电池性能无衰减。同时,该材料合成方法简单,且制备过程无污染,具有广阔的应用前景。 该课题组在快充型高安全性锂/钠离子电池用关键电极材料、电解质与隔膜领域还进行了一系列的系统研究,相关研究成果发表在《电源》《碳材料》《美国化学会应用材料与界面》《膜科学》等国际知名期刊上。(J. Power Sources, 2016, 318, 170-177;Carbon,2018, 126, 507-513; ACS Appl. Mater. Interfaces,2016, 8, 21407-21416;ACS Appl. Mater. Interfaces,2016, 8, 16718-16726; J.Membr. Sci.,2016,509, 19–26)。 该项研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本业务费等项目的资助,并与中国科学技术大学余彦教授进行合作。相关研究成果已申请发明专利6项,获得授权3项。 图1. 3DAC的SEM照片与电化学性能 图2. 3DAC的储钠机理研究与电化学性能分析 图3. 3DAC的制备过程示意图 (宣讯/文??孙毅/图)?? 编辑:周慧