吴忠帅课题组：发展出高倍率、高容量三维MXene泡沫碱金属负极

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催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员团队与李先锋研究员、郑琼副研究员团队，中国科学技术大学余彦教授团队合作，发展了一种三维柔性、高导电、亲碱性金属的MXene/三聚氰胺多孔气凝胶新材料，有效调控了碱金属与三维框架载体间的表界面化学，获得了高倍率、高容量、无枝晶碱金属（锂、钠、钾）负极，并构筑出高比能、长寿命碱金属电池。

　　碱金属具有高理论比容量（Li：3680 mAh g-1；Na：1165 mAh g-1；K：687 mAh g-1）和低氧化还原电位（Li：-3.04 V；Na：-2.71 V；K：-2.93 V vs. SHE）而被认为是下一代高能量密度电池的理想负极材料。但由于其存在不可控的枝晶生长以及充放电过程碱金属体积膨胀大等问题，导致碱金属循环性能差、安全性能低，大大限制了碱金属负极在全电池中的实际应用。因此，设计一种具有高机械强度的轻质、柔性、导电骨架，同时能够实现在大电流密度和高容量条件下工作无枝晶产生的碱金属负极，是目前突破碱金属电池应用瓶颈的一种有效方法。
　　 该团队开发出一种轻质柔性的三维MXene/三聚氰胺多孔泡沫材料，具有良好的亲碱金属表面、快速的电子和离子传输通道以及优异的机械强度，将其用作碱金属（锂、钠、钾）的载体，有效抑制了碱金属负极的枝晶生长和体积变化。该复合电极实现了锂负极在50 mA cm-2的高电流密度和50 mAh cm-2面容量下的稳定工作，并且钠负极实现了20 mA cm-2的高倍率和20 mAh cm-2的高面容量。李先锋、郑琼团队开展了碱金属电池内多物理场耦合下的模拟计算研究，结果表明，该复合电极能够有效提高固液相界面浓度分布的均匀性，显著降低界面反应电流密度，从而引导碱金属离子在MXene骨架上均匀沉积，抑制枝晶的生成。将该金属负极应用到锂硫、钠/磷酸钒钠全电池中，显著提高了全电池的循环寿命和倍率性能。这种柔性高导电性、亲碱金属的三维多孔电极结构的设计策略为构建高能量密度、长循环寿命的碱金属电池提供了新的思路。
　　相关研究成果发表在《美国化学会·纳米》（ACS Nano）上。上述工作得到了国家重点研发计划项目、中科院洁净能源创新研究院项目等资助。（文/图 石浩东、侯晓城）


       文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c03042


       文章来源：大连化物所
       吴忠帅，男，汉族，1981年生于大连庄河。中共党员，博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，国家“青年##计划”。2004年和2007年在辽宁大学化学院分获理学学士和硕士学位；2011年在中科院金属研究所获工学博士学位，师从成会明院士和任文才研究员；2011年7月至2015年6月在德国马普高分子研究所从事博士后研究工作，合作导师著名化学家Klaus Müllen教授和冯新亮教授。2015年6月至今，中科院大连化学物理研究所工作，被聘为研究员、 “二维材料与能源器件（DNL21T3）”研究组组长。
       李先锋，男，1979年7月生于山东沂水，中国科学院大连化学物理研究所，研究员，博士生导师。中组部“万人计划”青年拔尖人才，中科院卓越青年科学家获得者，辽宁省百千万人才工程“百层次”人才。大连化学物理研究所储能技术研究部部长，电池材料与关键技术研究组长。长期从事大规模电化学储能技术的研究开发工作。成果荣获包括“2015年国家技术发明二等奖”（排名3），中国科学院杰出科技成就奖（突出贡献者，排名2）、 “辽宁省技术发明二等奖”（排名第2）等科技奖励。获 “中国科学院卢嘉锡青年人才奖”，“第三届“中科院沈阳分院优秀青年科技人才奖”，“辽宁省青年科技奖”，等奖励。入选中组部青年拔尖人才计划，中国科学院卓越青年科学家项目、大连市杰出青年科技人才等。为首届中科院青年创新促进会会员，中国膜工业协会电驱动膜专业委员会委员，中国材料研究学会青年工作委员会理事。迄今为止共发表SCI论文100余篇，其中Energy & Environmental Science 6篇，Angew. Chem. Int. Ed 1篇， Advanced Functional Materials 2篇，Nano energy 1篇。迄今为止，论文他引次数2500余次， H 因子30。2015年开始担任“Scientific Reports”杂志编委。申报发明专利100余项，国际专利6项。授权20余项。作为负责人主持国家科技部973计划课题、国家自然科学基金，中组部青年拔尖人才计划项目、中科院重要方向性项目等多项项目与课题。