2018年1月18日
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郭少华、周豪慎团队在Adv. Energy Mater.发表钠离子储能电池方面重要进展
--1D通道后尖晶石结构实现钠离子超长循环和超快传输

近年来,由于在大规模储能领域的潜在应用,低成本、高性能钠离子电池研究持续升温。钠离子电池表现出合适的氧化还原电位、高的能量效率以及类似于锂离子电池的“摇椅式”充放电机理,这些都是钠离子电池首先应用于大规模储能的独特优势。然而,科学家在储钠负极的研究方面遇到了瓶颈:钠金属负极存在无法避免的枝晶问题;合金化合物遭受极大的体积变化;硬碳在快速充放电时可能遇到潜在的安全问题。南京大学现代工程与应用科学学院郭少华、周豪慎团队设计了一种具有一维钠离子通道的新型后尖晶石结构NaVSnO4作为储钠负极,该材料在脱嵌钠过程中表现出安全的工作电压(平均电压0.8 V),并具有超长的循环寿命(10000次循环)和较高的储钠容量(160 mAh/g)。该工作近日正式发表于能源材料领域著名刊物Advanced Energy Materials,题目为A Postspinel Anode Enabling Sodium-Ion Ultralong Cycling and Superfast Transport via 1D Channels (Adv. Energy Mater. 2017, 1700361),南京大学为该工作第一署名单位和唯一通讯单位,郭少华副教授、周豪慎教授为共同通讯作者。

图1 NaVSnO4结构表征和电化学性能。a) SEM图片;b) XRD衍射谱及结构精修谱;c) 一维钠离子迁移通道示意图;d) 该材料的倍率性能;e) 该材料的长循环性能。

XRD表征发现该材料具有典型的后尖晶石结构以及一维的钠离子迁移通道(图1b,c),SEM及TEM表征揭示了该材料具有独特的短棒形貌,并且其钠离子沿着短棒最短路径迁移(图1a)。基于以上的结构特征,该材料显示出优异的倍率性能及循环性能(图1d,e)。值得关注的是10000次充放点之后其容量保持率仍为84%、体积变化仅为0.9%,并且该材料具有两电子的电荷转移机理Sn4+/Sn2+,在一维通道中钠离子迁移系数可达1.26 × 10−11 cm2 s−1

该工作得到现代工程与应用科学学院何平副教授、张晓禹老师的极大帮助,同时得到国家重点研发计划((2016YFB0100203)和国家自然科学基金(21673116,21403107,21373111)的资助。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)