找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

查看: 1166|回复: 0

[材料资讯] 郭少华/周豪慎团队:阴阳协同氧化还原助力高性能钠离子电池

[复制链接]

70

主题

83

帖子

105

积分

注册会员

Rank: 2

积分
105
发表于 2020-9-18 16:25:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
现代工程与应用科学学院郭少华/周豪慎团队与苏州大学张亮课题组合作的研究成果“Anion-cation Synergetic Contribution to High Capacity, Structurally Stable Cathode Materials for Sodium-ion Batteries”近日发表于Advanced Functional Materials。
       钠离子电池由于其原料丰富、价格低廉,在大规模储能系统和智能电网领域有着广阔的应用前景。发展高比容量、稳定循环的正极材料是钠离子电池进一步实用化的关键。在众多的钠离子电池正极材料中,层状过渡金属氧化物因其高比容量、合成简单、组分丰富、结构可控等一系列优点得到了广泛的研究。目前广泛研究的层状过渡金属氧化物大多依靠过渡金属变价提供电化学过程中的电荷补偿,即阳离子氧化还原。但是已经逼近理论容量上限,且过渡金属的迁移、歧化以及电化学循环过程中的不可逆相变也是不容忽视的挑战。
       另一方面最近报道了许多可以实现阴离子氧化还原的钠离子电池正极材料,与过去报道的富锂材料的Li-O-Li构型相比,这些材料具备更丰富的构型以形成非杂化的氧2p态(O 2p non-bonding band),从而引发阴离子氧化还原,即晶格氧参与电荷补偿从而获取额外的容量。但这些材料通常存在首圈循环的不可逆,后续循环高电压平台的衰减或消失以及因为结构不稳定导致的氧气释放、容量电位快速衰减的问题。研究团队基于层状过渡金属氧化物正极材料的前期研究工作(Adv. Mater. 2020, 1907936; Adv. Mater. 2019, 1807770; Adv. Mater. 2019, 1807825; Adv. Mater. 2018, 30, 1705197; Nat. Commun. 2017, 8, 135; Sci. Bull. 2019, 64, 149-150),发现阴离子氧化还原反应过程与氧化物过渡金属价电子的分布,过渡金属与氧的杂化程度有着密切的关系。

钠离子电池

钠离子电池
图1 a)充放电曲线及相应反应节点的XAS谱图:b,c)氧元素在不同电化学节点下的K边sXAS谱及阴影部分强度积分变化图谱;d,e)锰元素的K边XANES和EXAFS谱;f)钛元素的L边sXAS谱

钠离子电池

钠离子电池
图2 a)首圈和第二圈充电的原位XRD图谱;b)晶胞参数a、c以及晶格体积V的演变


        因此,设计多渠道电荷补偿且结构稳定的正极材料是实现高能量密度和可持续循环的钠离子电池的有效策略,也是极大的一个挑战。本工作介绍一种六方晶体结构层状氧化物正极材料Na0.67Li0.21Mn0.59Ti0.20O2(下文称为NLMTO),在传统锰基层状氧化物的基础上,在过渡金属层引入Li元素构成Li-O-Na构型,引发充电到高电压下氧的氧化还原,另外过渡金属层内引入的少量Ti元素能够与O形成更为紧密的共价键联,反映在材料的电子态密度上费米能级附近的O 2p none-bonding band电子分布更多,更容易进行电子的脱嵌。
        研究团队针对充放电过程中的电荷补偿机理做了反应节点的非原位sXAS和XANES的表征,首圈155 mAh g-1的充电容量来自氧的氧化还原,首圈放电后,阴阳离子协同变价提供电荷补偿,放电容量高达231 mAh g-1。之后1.5-4.5 V电压窗口内充放电的过程中,4.2 V附近持续存在120 mAh g-1的平台容量,这部分是可逆的阴离子氧化还原容量供应。针对前2圈的充放电过程的材料结构演变研究团队做了原位的XRD表征,并进行了晶格模拟。结果显示,充放电过程中不存在新相的产生,保持了长程有序的P2型ABBA结构,仅002、004峰的偏移与恢复来自充放电过程中的晶格畸变。氧的氧化还原减小了材料在充电到高电压下因钠离子脱出而增大的过渡金属层间斥力,使得材料在宽的电压窗口内无相变发生,模拟结果显示电化学过程中晶胞体积应变仅为0.7%,印证了材料的结构稳定性和循环稳定性,该工作为开发钠离子电池高性能正极材料提供了一种新的策略。
       南京大学现代工程与应用科学学院硕士研究生许航为该论文第一作者,郭少华副教授为论文的通讯作者,周豪慎教授对此研究的设计和完成进行了悉心指导和大力支持,南京大学为论文第一单位。该研究受到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费以及南京大学技术创新基金等项目资助,同时感谢固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室以及南京大学高性能计算中心等的平台支持。
       文章来源:南京大学
       周豪慎,  南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师,教育部长江讲座教授,国家特聘专家。1985年本科毕业于南京大学物理系,1994年研究生毕业于日本东京大学工学院,获工学博士学位。历任日本国立产业技术综合研究所研究员,主任研究员,教授级主任研究员、研究组组长,首席研究员。日本国立东京大学特任教授(兼)。长期从事能量储存与转换方面的研究,特别在锂离子电池、锂空气电池,新型电池的基础理论和应用开发方面做了大量长期的工作。在Nature Materials(1篇),Nature Communications(2篇),Angew. Chem.Int. Ed(7篇), Energy Environment Sci.(11篇), Adv. Energy Mater.(4篇)Adv. Mater.(14篇), Adv. Fun. Mater.(4篇), J. Am. Chem. Soc.(5篇), Nano Letter(3篇), ACS Nano(3篇)等学术和专业刊物上发表SCI论文超过250篇,发表论文他引超8000次,其中单篇被引用100次以上的超21篇,SCI上H-index为52。已取得专利20多件。      
        郭少华,南京大学副教授,日本筑波大学博士,AIST博士后。发表SCI论文50余篇,其中以第一和通讯作者身份于Nat Commun、Joule、Angew Chem、Adv Mater、Adv Energy Mater、Energy Environ Sci、Nano today、Nano Energy等国际权威期刊发表重要研究成果。研究工作被 Angew Chem、Natl Sci Rev、Sci Bull、PHYS&ORG、 ChemistryViews以及国家自然科学基金委科学传播中心等学术媒体广泛报道。担任Nat Commun等多个期刊审稿人。主持和参与国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和国家重点研发计划等项目多项。
         张亮,苏州大学教授。2013年7月毕业于中国科学技术大学国家同步辐射实验室并获得博士学位。2013年10月至2016年4月在德国埃尔朗根-纽伦堡大学担任洪堡学者。2016年5月起在美国伯克利国家实验室先进光源从事博士后研究。2019年加入苏州大学功能纳米与软物质研究院,被聘为教授、博士生导师。研究方向主要是原位同步辐射装置的研制及其在新能源材料的应用。迄今为止共在Science, Nature Catalysis, Nano Lett., J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Nano Energy, Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett.等期刊发表论文50篇。近年来,主要荣誉包括:英国物理学会 JPhysD Emerging Leaders Award、德国洪堡奖学金、中国科学院院长奖、教育部博士研究生学术新人奖等。

  声明:本网部分文章和图片来源于网络,发布的文章仅用于材料专业知识和市场资讯的交流与分享,不用于任何商业目的。任何个人或组织若对文章版权或其内容的真实性、准确性存有疑义,请第一时间联系我们,我们将及时进行处理。

本帖被以下淘专辑推荐:

回复

使用道具 举报

小黑屋|手机版|Archiver|版权声明|一起进步网 ( 京ICP备14007691号-1

GMT+8, 2024-3-29 09:55 , Processed in 0.090381 second(s), 44 queries .

Powered by Discuz! X3.2

© 2001-2013 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表