周小四、沈健课题组合作在钠离子电池领域取得重要研究进展

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近日，我校化科院周小四教授课题组与沈健教授课题组合作在钠离子电池领域取得重要研究进展。相关成果以“A Yolk−Shell-Structured FePO4Cathode for High-Rate and Long-Cycling Sodium-Ion Batteries”为题发表在Angewandte Chemie《德国应用化学》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 17504−17510）。Angewandte Chemie杂志是Wiley公司的王牌杂志，也是化学学科顶级期刊。
       蛋黄壳结构是一类特殊的分级复杂结构，由纳米单元构筑而成。与实心结构相比它具有更大的比表面积，与空心结构相比它具有更高的体积利用率。因此，蛋黄壳结构比普通的实心、空心或其他纳米结构具有更好的性能，被广泛应用于电化学储能、电催化、生物医学等领域。

       钠离子电池具有价格低廉、原料丰富等优点，被认为是大规模储能领域最具竞争力的电化学储能器件。寻找高性能的正极材料对于钠离子电池的大规模应用至关重要。无定形的FePO4由于具有高理论容量和优异的氧化还原可逆性而受到广泛关注。然而，充放电过程中显著体积变化（>22%）和导电性差使其具有较差的循环和倍率性能。合理的纳米结构设计和碳包覆是解决上述问题的两个有效策略。例如，形成复杂纳米结构已被证明是提升钠离子电池性能的成功策略。尽管已取得显著进展，但在合成具有复杂纳米结构且具有优异储钠性能的无定形FePO4方面却鲜有报告。
       近日，南京师范大学的周小四教授课题组与沈健教授课题组合作，通过多步模板法成功制备了蛋黄壳结构的FePO4（FePO4YSNSs），并用于钠离子电池正极。FePO4YSNSs由介孔结构的纳米蛋黄和坚固多孔的纳米蛋壳构成。另外，改变初始碳球模板的酸化程度，空心FePO4纳米球（FePO4HNSs）和实心FePO4纳米球（FePO4SNSs）也被相继合成。值得注意的是，这一多步模板法还可用于制备蛋黄壳、空心和实心结构的Fe2O3。
        FePO4YSNSs在钠离子电池正极中具有独特的优势：首先，蛋黄壳结构和纳米颗粒构筑单元都可以有效地减轻在嵌/脱钠过程中的内部应力；大比表面积和小孔径可以减小钠离子/电子的扩散距离，从而提高储钠动力学。其次，介孔的纳米蛋黄可以改善FePO4YSNSs正极的电解质渗透，从而加速电荷转移和钠离子扩散；坚固的纳米壳可以增强FePO4YSNS的结构完整性，从而提高了循环稳定性。另外，高密度的FePO4纳米壳的带隙比低密度的FePO4纳米蛋黄的带隙小，导致在纳米壳和纳米蛋黄之间形成一个内置电场，这将提高电荷转移动力学并导致高倍率性能。将上述获得的FePO4YSNSs用于钠离子电池正极，电化学测试表明：与FePO4HNSs和FePO4SNSs相比，FePO4YSNSs的储钠性能最优（在100 mA g−1的电流密度下，可逆容量为106.3 mAh g−1；循环1000圈后，容量保持率为91.3%）。更重要的是，这种简单易行的多步模板法与独特的蛋黄壳结构，不仅使FePO4具有优异的储钠性能，还将为催化等其它领域提供新思路。
        我校化科院在读博士研究生张壮壮是该论文的第一作者，南京师范大学为第一署名单位，周小四教授和沈健教授为共同通讯作者。


        文章来源：南京师范大学
      沈健，男，汉族，1957年4月出生，浙江奉化人，研究生学历，工学博士，南京师范大学教授，博士生导师，中共党员。以排名第一的身份，获得教育部及江苏省科技奖8项，其中，教育部自然科学一等奖1项、江苏省科技进步奖一等奖1项、二等奖3项。 1996年被江苏省人民政府授予“江苏省科技成果向生产力转化先进个人”；1998年被共青团中央、国家科技部、全国青联联合授予“第三届中国优秀青年科技创业奖”；1997年开始享受“政府特殊津贴”，被确定为江苏省“333跨世纪学术、技术带头人培养工程”第二层次培养对象；2002年被评为江苏省有突出贡献中青年专家；2003年被评为第五届南京市“十大科技之星”；2004年被评为“首届江苏省十大杰出专利发明人”；三次被共青团中央、国家科技部、中国科协授予优秀园丁奖。
       周小四，博士，南京师范大学教授。主要研究领域为锂、钠、钾离子电池正负极材料。2010年中科院化学所优秀博士毕业生，2011-2013年先后在美国阿拉巴马大学和中科院化学所做博士后，2015-2016年在新加坡南洋理工大学做访问学者。2013年加入南京师范大学，主持国家自然科学基金面上项目和青年基金、江苏省优秀青年基金、南师大百人计划。到目前为止在Joule、Adv.Mater.、Adv.Energy.Mater等学术期刊上发表第一作者或通讯作者论文50余篇，2013年一篇第一作者论文获中国百篇最具影响国际学术论文，高被引论文10篇，他引3700余次，H因子为34。