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材料学院“青年创新团队”在钠离子电池研究方面取得进展
发布时间:2020-12-28    作者:    点击:[]

  我院“青年创新团队”(“青创团队”)在钠离子电池研究方面取得进展,相关成果以“Counter-Intuitive Structural Instability Aroused by Transition Metal Migration in Polyanionic Sodium Ion Host”为题发表于《Advanced Energy Materials》(DOI:10.1002/aenm.202003256)。“青创团队”成员、新能源材料与器件系教师刘瑞为第一作者,“青创团队”负责人、新能源材料与器件系丁建旭教授为共同作者。

随着对地壳中锂储量消耗的担忧,近几年基于“无限”钠储量的钠离子电池在大规模储能系统的应用受到极大关注。过渡金属离子在绝大多数电池的材料中起到最为关键作用。无论是聚阴离子型材料还是层状氧化物材料,过渡金属离子都起到构建结构框架、提供反应电子的作用。此外,过渡金属离子在框架中的稳定性又是材料安全性及长循环稳定性的决定性因素。然而之前的研究发现层状氧化物材料在循环时普遍存在过渡金属离子迁移导致电极材料结构破坏的问题。聚阴离子型材料则因其稳定的框架特别是稳定的过渡金属离子位置而表现优异。

我院教师刘瑞长期从事聚阴离子型钠离子电池构-效关系研究并与国内外合作取得了大量成果(ACS Appl. Mater. Interfaces: 10.1021/acsami.7b13018;ACS Appl.Energy Mater.: 10.1021/acsaem.8b00889;Small Methods:10.1002/smtd.201800221;J. Mater. Chem. A,: 10.1039/c9ta05608d;Molecules:10.3390/molecules25041000;Electrochimica Acta:10.1016/j.electacta.2020.136454)。前期工作发现Na3VCr(PO4)3(NVCP)在低温下表现出比常温更优异的V3+/V4+/V5+多电子反应可逆性。而目前所报道的材料中均表现出常温比低温性能优异的现象,因而NVCP的表现更为异常。

基于该异常现象,刘瑞在我院“青创团队”的支持下开展了深入的研究。结合宽温区原位XRD、非原位X-射线吸收谱、软X-射线吸收谱、球差校正扫描透射电子显微镜等表征手段,首次发现该异常现象源自NVCP中过渡金属离子V的迁移,进而导致材料结构的劣化。电池在常温循环过程中V会迁移到Na位,导致Na扩散路径的堵塞进和“诱导效应”的弱化,从而导致电池性能的衰退。在这一认识的指导下,进一步提出了过度嵌Na(即低压放电)有望促使V离子迁回原位。这一设想得到了电化学测试和多种原位/非原位表征的验证。

本研究与厦门大学、美国阿贡国家实验室合作完成,得到校“青年创新团队发展计划”支持。“计划”将依托材料科学与工程学院建设环境功能材料方向团队及平台,形成8人以上的核心学术队伍,力争使其进入山东省相同领域研究一流行列。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202003256

刘瑞在研究材料的电化学性能

丁建旭与刘瑞讨论材料结构对性能的影响

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