我校劉明凱博士在 Nature Communications 發表最新學術成果
當今,鋰電池與人們的生活密切相關,在生產和生活的各個領域發揮著不可替代的作用,但地球上鋰資源十分有限,且開采成本高,開發一種替代電池成為研究人員的努力方向。相較于鋰元素,鈉的“自然豐度”和“易獲取性”都要勝出許多,使得鈉離子電池(Sodium ions,SIBs)有望成為下一代儲能系統中最有前途的替代者。然而,鈉離子的半徑大于鋰離子,阻礙了電化學界面反應動力學,鈉離子嵌入/脫出效率低,導致傳統的鋰離子電池材料不適用于鈉離子電池。目前,鈉離子電池較差的倍率性能已被認為是一個巨大的挑戰。
在過去十年中,人們致力于開發有前景的二維結構材料,如磷、碳質材料、金屬合金和二維碳化物等,以改善鈉離子電池的電化學性能,尤其是促進其倍率性能的提升。其中,二維二硫化鉬(MoS2),作為一種由范德華力疊加在一起的具有S-Mo-S基序的層狀過渡金屬材料,被認為是SIBs最有前景的材料之一。然而,由于導電率低和充放電過程中體積變化大,基于MoS2的電極在循環過程中呈現出較差的速率能力和快速的容量衰減。
為了同步提高鈉離子在二硫化鉬材料中的儲存量和快速嵌入/脫出性能,劉明凱和賴超課題組通過高分子聚丙烯腈(PAN)協助碳纖維在石墨烯層間的垂直穿插,構筑了類似于樓層-支柱概念的微觀結構(如圖1所示),(1)不僅為二硫化鉬材料的大量、高效負載提供了合理的空間位置;(2)碳纖維/石墨烯的穿插結構也為電子的穿梭提供了良好的傳輸通道;(3)彈性多孔結構為電解液離子的快速浸潤提供了可靠路徑,有效縮短了鈉離子與活性材料界面之間的傳輸距離;(4)由于其均勻沉積,MoS2納米的所有活性位點片材可以完全暴露在電解質和鈉離子下,從而為MoS2@CNFIG混合電池產生高能量密度。此外,本研究中的MoS2@CNFIG混合電極表現出良好的速率性能和長期的循環穩定性。可以為開發具有穩定內部結構的新型能量相關電極提供新的視角。
劉明凱:1985年4月生,博士,副教授。研究方向為高分子基納米復合材料設計與構筑、多尺度異質結材料的設計及功能化。以第一作者/通訊作者在NatureCommunications,Angew. Chem. Int. Ed.,Chem. Commun.等刊物發表SCI論文近30篇,論文總被引用超過1000余次;主持國家自然科學基金1項、江蘇省自然科學基金1項。
賴超:1985年4月生,博士,教授。主要致力于高比能金屬鋰電池以及界面電化學的研究工作。以第一和通訊作者先后在Nat. Commun.,J. Am. Chem.Soc.,Adv. Mater.,Adv. Funct.Mater.,Adv. Sci.,Energy StorageMater.等頂級學術期刊上發表論文10余篇。先后主持國家自然科學基金3項、徐州市重點研發1項。
江蘇師范大學
2021-04-28