北理工團隊在鈉離子電池負極材料領(lǐng)域取得重要進展
發(fā)布日期：2023-12-27 供稿：材料學院 攝影：材料學院
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北京理工大學材料學院白瑩教授研究小組在鈉離子電池負極材料研究中取得重要進展，11月28日，相關(guān)研究成果以“Multilevel Gradient-Ordered Silicon Anode with Unprecedented Sodium Storage”為題在國際知名期刊 Advanced Materials 上發(fā)表。北京理工大學材料學院白瑩教授、吳川教授和李雨副研究員為本論文共同通訊作者，材料學院博士后李瑩為第一作者。
新型二次電池是新能源體系的重要支撐，是新能源在電力、交通等重要領(lǐng)域廣泛應用的關(guān)鍵。鈉離子電池具有低成本、長壽命和高安全性等突出優(yōu)勢，有望應用于低速電動車、可再生能源大規(guī)模接入和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，具有重要經(jīng)濟價值和戰(zhàn)略意義。但鈉離子電池的實用化受到其能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性的制約，因此，亟需開發(fā)高性能、高穩(wěn)定性且低成本的負極材料。硅在自然界分布極廣，具有來源廣泛、成本低廉的突出優(yōu)勢。在鈉離子電池中，Si具有較高的理論比容量，受到早期研究者的關(guān)注。然而，Si在早期實驗研究中顯示出極低的儲鈉比容量（< 40 mAh g–1），被認為是電化學“惰性”的儲鈉材料。由于Na-Si反應的熱力學驅(qū)動力較弱以及嵌入勢壘較高，在實際電池工作條件下，晶體Si難以儲鈉。
針對這一問題，北京理工大學白瑩教授研究小組創(chuàng)新性地通過電化學重構(gòu)方法將無儲鈉活性的晶體硅材料改性為獨特的多級梯度有序硅（MGO-Si）負極材料，實現(xiàn)了硅儲鈉性能的“從無到有”。 通過高劑量Na+注入誘導的原子重排，形成了由表面短程有序非晶結(jié)構(gòu)、過渡中程有序膨脹晶格和內(nèi)部長程有序晶核組成的梯度有序結(jié)構(gòu)（如圖1）。非晶相由于豐富的懸空鍵可吸附Na+，膨脹晶格顯示出有利的Na–Si相互作用，并為Na嵌入提供了快速的Na+擴散通道，晶相則有利于穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)。MGO-Si的儲鈉機制被證明為吸附-嵌入機制，這與鋰離子電池中形成Li15Si4的合金化機制完全不同。此外，通過逐步構(gòu)建梯度有序結(jié)構(gòu)，可進一步提高比容量。更重要的是，該策略可激活多種惰性（微硅、二氧化硅和碳化硅）和低活性（石墨和二氧化鈦）材料，使其儲鈉性能比原始材料提高1.5-6倍。
圖1 多級梯度有序硅材料示意圖以及不同有序結(jié)構(gòu)儲鈉性能研究
得益于獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，所制備的MGO-Si材料具有優(yōu)異的電化學性能：在50 mA g–1下循環(huán)120周后可逆比容量高達352.7 mAh g–1，在500 mA g–1循環(huán)4000周的容量保持率高達95.2%，呈現(xiàn)出目前鈉離子電池純硅負極中比容量最高與穩(wěn)定性最佳的電化學性能。P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2‖MGO-Si全電池在300 mA g–1下可逆比容量為140.1 mAh g?1，平均工作電壓為2.7 V，在150周循環(huán)中每周循環(huán)的衰減率為0.2%，證明了MGO-Si負極在鈉離子電池中具備良好的應用前景（圖2）。研究揭示了原子結(jié)構(gòu)有序性對于Si材料儲鈉的關(guān)鍵影響，為鈉離子電池硅基負極材料的原子結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能優(yōu)化提供了新方法、新思路，有利于促進鈉離子電池的實際應用。
圖2 MGO-Si的優(yōu)異儲鈉性能
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202310270
附作者介紹：
白瑩，教授，博士生導師，入選英國皇家化學會會士、教育部新世紀優(yōu)秀人才。從事先進二次電池、輕質(zhì)儲氫等新型儲能材料研究，主要包括鋰/鈉/鋅電池等體系的關(guān)鍵材料、電極與電解液界面穩(wěn)定性、電池熱分析與熱安全等基本科學問題。作為負責人主持國家863計劃課題、國家自然科學基金、國家基礎(chǔ)研發(fā)課題、國家重大專項課題等項目。在 Chemical Society Reviews, Nature Communications ， Advanced Materials , Advanced Energy Materials 等國際頂級刊物發(fā)表論文多篇，授權(quán)多項國家發(fā)明專利。
吳川，教授，博士生導師，國家高層次人才，Science合作期刊Energy Material Advances副主編。主要關(guān)注能量儲存與轉(zhuǎn)體系及其關(guān)鍵材料，包括鋰離子電池、鈉離子電池、鋁二次電池以及其他高性能二次電池新體系。作為負責人主持國家973課題、國家自然科學基金、北京市自然科學基金重點、教育部博士點基金等科研項目。2020年獲中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)新銀獎，2019年獲得中國產(chǎn)學研合作促進獎。任中國儲能與動力電池及其材料專業(yè)委員會副秘書長，多篇文章發(fā)表在Nature Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Functional Mater., Chemical Society Reviews等頂級期刊上。
李雨，副研究員，碩士生導師，入選中國博士后創(chuàng)新人才支持計劃，作為項目負責人承擔國家自然科學基金面上項目/青年項目、博士后科學基金面上一等資助、北京理工大學研究生科技創(chuàng)新活動專項等；并參與國家973計劃、國家自然科學基金、北京市教委科學研究與研究生培養(yǎng)共建項目等。以第一作者/通訊作者身份在Chemical Society Reviews，Advanced Materials，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials，Nano Energy等頂級期刊發(fā)表論文多篇。
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