吴忠帅、叶茂等提出二维介孔材料保护钠金属电池负极新策略

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近日，我所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、催化新过程放大与开发研究组（DNL1206）叶茂研究员团队、中国科学技术大学余彦教授团队合作，提出了一种有序介孔聚多巴胺-石墨烯纳米片保护金属钠策略，获得了高稳定、无枝晶的钠金属负极，构筑出高性能长循环钠金属电池。
　　便携式3C电子产品、电动汽车和智能电网的快速发展刺激了现代社会对低成本、高能量密度电池的迫切需求。金属钠具有理论比容量高（1166mAh/g）、氧化还原电位低（-2.714V vs. SHE）、资源丰富和价格低廉等优点，被认为是一种非常有竞争力的高比能钠电池负极材料。但是，其高的反应活性、大的体积变化、不稳定的固体电解质界面和不可控的枝晶生长，导致钠金属负极面临库伦效率低、循环性能差和安全风险高的问题。因此，如何通过设计合理的功能组分，从化学分子和物理结构水平上调控钠离子的沉积行为，实现均匀的钠沉积，延长其循环寿命是目前钠金属电池应用研究的主要瓶颈之一。

　　最近，该合作团队开发出一种具有可定义孔径和片厚的二维介孔聚多巴胺-石墨烯异质结构，利用聚多巴胺分子中丰富的亲钠官能团（-OH、C=O和-NH-），二维介孔的钠离子有序通道和缺陷石墨烯的均匀纳米筛的共同作用，成功构筑出多功能的隔膜涂层，从而获得了高稳定、无枝晶的钠金属负极。该工作通过理论计算和实验相结合，证明了二维介孔聚多巴胺-石墨烯异质结构可以从化学分子和物理结构水平上调控钠离子的沉积行为，最终可获得库仑效率高、循环稳定性长、倍率性能优异的钠金属负极。以此钠金属负极组装成的全电池表现出显著提高的循环稳定性和倍率性能。该工作为新型二维介孔功能材料的设计与合成，以及高能量密度、长循环寿命金属电池的构筑提供了一定的科学依据。
　　相关成果以“Achieving stable Na metal cycling via polydopamine/multilayer graphene coating of a polypropylene separator”为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。该工作的第一作者是我所508组秦洁琼博士、石浩东博士和DNL1206组黄凯博士。该工作得到了国家重点研发计划、我所科研创新基金、以及中国科学院洁净能源创新研究院-榆林学院联合基金等项目的资助。（文/图 秦洁琼、石浩东）
　　文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26032-1


       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。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。
      叶茂，中科院大连化学物理研究所研究员、博士生导师、催化新过程开发与放大研究组组长。2000年获东南大学工学博士，2000-2006年先后在荷兰Twente大学和Eindhoven技术大学工作，2006-2009年在壳牌石油公司从事催化裂化技术开发工作。目前在大连化物所甲醇制烯烃国家工程实验室工作，主要围绕国家在煤化工和石油化工领域的需求，开展催化过程开发及反应器放大研究。先后参加了甲醇制烯烃DMTO技术和DMTO-II技术的工业化，负责完成了甲醇制丙烯流化床DMTP技术和甲醇甲苯制对二甲苯联产烯烃流化床技术的开发。主持国家重点研发计划、中科院战略先导专项、国家自然科学基金重大研究计划重点项目、英国BP公司国际合作项目等10余项课题。申请专利100余件（其中国际专利70余件），在AIChEJournal等国际刊物上发表学术论文60余篇。曾获全国百篇优秀博士论文提名论文、中国科学院杰出成就奖、中国石油和化学工业联合会科技进步奖特等奖。入选中国科学院“百人计划”、英国皇家学会牛顿高级学者、大连化物所张大煜优秀学者，及国家“万人计划”科技创新领军人才。
      余彦，中国科学技术大学教授。研究兴趣功能材料的电化学制备、化学储能及相关电化学基础研究。主要研究方向为一维纳米材料的可控制备及应用、高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计、合成及储能机制。已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. Nano Lett.等国际重要学术刊物上发表SCI论文60余篇，被他人共引用2000余次。其研究主要包括功能材料的电化学制备、化学储能及相关的电化学基础，尤其在高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计合成、储能机制及提高性能等方面进行了深入探索，找出了优化及适应性的调控和解决途径。通过特殊纳微结构设计，部分解决了纳米储锂电极材料的体积膨胀效应问题，大幅提高了电极材料的容量、循环次数和倍率性能。迄今为止，先后获得了3项国际专利，2项中国专利。余彦教授目前是RSC advance（影响因子：3.84）的副编辑。