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南开团队设计室温钠离子电池负极新材料

来源: 南开新闻网     发稿时间: 2016-12-02 11:04

  南开新闻网讯(记者 马超)近日,南开大学材料科学与工程学院教授周震带领团队在室温钠离子电池负极材料的研究中取得突破性进展,制备出氮硫共掺的新型碳材料并计算出其作用机制,相关研究成果发表在材料科学领域顶级期刊《先进材料》(Advanced Materials)上。

  在诸多引起关注的钠离子电池负极材料中,碳基材料具有最好的应用前景。商业化的锂离子电池负极材料石墨因层间距较小,而且与钠离子相互作用较弱,阻碍了钠离子的嵌入和存储,因而表现出较低的电化学容量,限制了其在钠离子电池中的应用。为解决这一问题,周震课题组利用一种简单、可控的方法,实现了硫原子对溶胶凝胶法制备的富氮碳片中特定氮原子的取代,得到氮硫共掺的新型碳材料。这一材料中,硫在增大碳层间距离和比表面积的同时,也增加了储钠位点,共同实现了提高碳材料储钠容量的目的,从而提高电池容量。

  课题组还通过计算揭示了氮硫共掺对促进钠离子在碳材料层间的嵌入和迁移的作用机制。该材料当用于钠离子电池测试时表现出高容量和高容量保持率(在50 mA g-1条件下比容量为350 mA h g-1,在10 A g-1条件下,仍可实现110 mA h g-1的高容量。材料在大电流1 A g-1下循环1000周后容量保持率高达95%),综合性能高于氮或硫单一掺杂的碳材料以及研究较多的硬碳材料。该材料可以实现硫的可控添加,并且可形成稳定结构,有效避免了在充放电过程中向钠硫电池转化而导致循环稳定性降低的弊端。该成果为钠离子电池的实用化提供了一种可行的负极材料解决方案。

  周震介绍,近年来,随着便携式移动电子设备和电动汽车的迅猛发展,锂原料持续消耗导致其价格不断攀升。以碳酸锂为例,仅2016年一年其价格就暴涨3倍,高达12.8万元/吨。过高的原材料成本大大降低了开发大规模储能设备的可行性,探索新型储能技术具有重要意义。与其它储能设备相比,室温钠离子电池因钠资源丰富、成本低(例如食品级碳酸钠即纯碱的价格为1000多元/吨)、能量转换效率高和循环寿命长等诸多优点,成为储能领域的研究热点和难点。而开发成本低廉、电化学性能优异的电极材料,是实现室温钠离子电池实际应用的关键因素之一。

  该研究得到了国家自然科学基金委创新研究群体基金、国家重点研发计划项目和国隆南开新材料联合实验室的支持。

  论文链接:

  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201604108/full

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