錢逸泰院士團隊楊劍課題組鈉離子電池研究取得重要進展
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近日，我院錢逸泰院士團隊楊劍教授課題組鈉離子二次電池研究方面取得新成果。圍繞著合金機制鈉離子電池負極材料的循環(huán)穩(wěn)定性提升和新材料電化學機制研究方面，取得了系列研究進展，連續(xù)在ACS Nano.和Adv. Funct. Mater.上發(fā)表高水平研究論文。
鈉離子電池與鋰離子電池相比具有儲量豐富的優(yōu)勢，但存在化學性質(zhì)活潑、半徑大和質(zhì)量較重的缺點。與此同時，目前常用的碳負極和過渡金屬氧化物，并不能滿足鈉離子電池的負極要求。研究發(fā)現(xiàn)，基于合金化反應(yīng)的負極材料Sb，Sb2S3，Sn，SnO2，SnSx等材料，具有較高的理論容量。然而，這些材料經(jīng)常在循環(huán)時經(jīng)受大量的體積變化和結(jié)構(gòu)應(yīng)變/應(yīng)力，這很容易誘發(fā)結(jié)構(gòu)解構(gòu)、顆粒粉碎，從而降低性能。針對上述難題，我院錢逸泰院士團隊的楊劍教授課題組研發(fā)數(shù)種新的磷酸鹽體系， 利用P2O74-、PO43-等陰離子較大的體積優(yōu)勢來穩(wěn)定活性物質(zhì)，緩沖體積變化帶來的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性。同時，這種基于磷酸鹽的負極材料以往報道很少。主要結(jié)果包括：
1） 首次證實晶態(tài)的SnP2O7也可以具有優(yōu)異的電化學性能，并對其電化學反應(yīng)機制進行了闡述和論證。通過水熱反應(yīng)結(jié)合高溫煅燒，成功制備出還原石墨烯支撐的晶態(tài)SnP2O7（SnP2O7/rGO）。當其用于鈉離子電池負極材料時，0.2 A g-1的電流密度下循環(huán)200圈，容量保持率依然維持在99%。即便是在1 A g-1的電流密度下循環(huán)1000圈，容量保持率依然在99%。更重要的是，類似的循環(huán)穩(wěn)定性在全電池中也得到了驗證。通過多種離位分析手段，對于磷酸錫的充放電反應(yīng)，尤其是充電過程進行了細致的分析和討論，揭示了內(nèi)在的反應(yīng)機制。論文以SnP2O7 Covered Carbon Nanosheets as a Long‐Life and High‐Rate Anode Material for Sodium‐Ion Batteries為題發(fā)表在國際材料領(lǐng)域著名期刊《先進功能材料》 (Adv. Funct. Mater., 2018, 1804672, DOI: 10.1002/adfm.201804672；I.F. = 13.325)。第一作者是山東大學的潘軍同學，山東大學化學與化工學院為第一通訊單位。高鵬研究員（北京大學）課題組為材料的結(jié)構(gòu)分析和表征提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。該工作發(fā)表后立即分別被 “能源學人”網(wǎng)站專題報道。
2）首次將層狀結(jié)構(gòu)SbPO4作為鈉離子電池的負極材料，對還原氧化石墨烯負載SbPO4納米棒（SbPO4/rGO）的充放電反應(yīng)機制和電化學性能進行了初步研究。先進透射電子顯微鏡（TEM）研究發(fā)現(xiàn)，首次放電時納米棒的直徑方向發(fā)生巨大膨脹,長度方向的變化則相對較小。采用X射線衍射（XRD）和選區(qū)電子衍射（SAED）分析其原因是SbPO4還原為Sb并繼續(xù)合金化導(dǎo)致。在0.5 A g-1的電流密度下，SbPO4/rGO在半電池和全電池中循環(huán)100次后，容量保持率都為99％。在半電池中，其循環(huán)壽命可達1000圈，而比容量依然維持在100 mAh g-1。論文以Layered-Structure SbPO4/Reduced Graphene Oxide: An Advanced Anode Material for Sodium Ion Batteries為題發(fā)表在國際納米領(lǐng)域權(quán)威期刊《美國化學會·納米》 (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b08065；I.F. = 13.709)。第一作者是山東大學的潘軍同學和北京大學/哈爾濱工業(yè)大學的陳樹林同學，高鵬研究員（北京大學）和楊劍教授（山東大學）為共同通訊作者，山東大學化學與化工學院為第一通訊單位。研究過程得到了山東大學理論化學所付強老師的重要計算支撐。該工作發(fā)表后立即分別被 “材料人”網(wǎng)站專題報道。
上述研究工作得到了國家自然科學基金面上項目，國家自然科學基金儀器研發(fā)專項，山東省泰山學者計劃，山東省重大研發(fā)計劃，山東大學交叉學科培育項目的支持，學院大型儀器中心的分析測試平臺為本工作提供了關(guān)鍵支持。楊劍教授課題組自2016年來，以通訊作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Nano.、Adv. Funct. Mater.等頂級刊物發(fā)表多篇論文，研究成果先后被Materialsviewchina.com, chemeurope.com, chemistryviews.org, phys.org, nanowerk.com等網(wǎng)站專題報道，多篇論文入選EIS高引用論文，2篇論文先后被Angew. Chem. Int. Ed 和J. Mater. Chem. A遴選為HOT PAPER，為學校的人才培養(yǎng)、雙一流學科建設(shè)和發(fā)展做出了積極的貢獻。
文章鏈接：
全 文：https://doi.org/10.1002/adfm.201804672
相關(guān)報道：https://nyxr-home.com/20108.html
全 文：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b08065
相關(guān)報道：http://www.nanoer.net/e/action/ShowInfo.php?classid=4&id=6505
http://www.sdchem.com.cn/html/xincailiao/hydt/2018/1127/16544.html
http://www.cailiaoniu.com/160090.html
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