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圍繞科研 服務科研

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上硅所/北大黃富強教授AFM:插入基序誘導空間限域與共價增強效應實現超快鈉離子存儲
來源: | 作者:中研小研 | 發布時間: 2023-02-23 | 115 次瀏覽 | 分享到:

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研究背景

鈉離子電池因鈉儲量豐富與安全性高等特點,可作為鋰離子電池的有效補充。目前,電動汽車和電網級儲能系統的迅速發展對鈉離子電池的能量與功率密度提出了更高要求。由于具有開放框架的高倍率正極材料進展迅速,同時開發與之匹配的快充負極材料十分重要。合金型金屬硫化物具有高理論比容量,但其反應動力學緩慢,并在鈉化過程中伴隨巨大體積膨脹,導致倍率性能與循環穩定性差。因此,通過合理結構設計開發兼具高倍率與長循環壽命的負極材料對高性能鈉離子電池的應用意義重大。

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內容簡介

基于此,中國科學院上海硅酸鹽研究所/北京大學黃富強教授提出一種結合插入/合金機制的陽離子無序硫化物負極的結構設計思路,有效實現高倍率下大容量和穩定鈉離子存儲。通過化學集成插入型In?S基序與合金型Bi2S3得到陽離子無序(BiIn)2S3,其中In?S基序的引入提供空間限域并增強Bi?S鍵合共價,從而有利于保持結構穩定并抑制Bi原子遷移團聚(40C下10000次循環后容量保持247 mAh g?1)。該工作為高能量與功率密度二次電池的電極材料設計提供新的思路。該工作以 “Intercalative Motifs-Induced Space Confinement and Bonding Covalency Enhancement Enable Ultrafast and Large Sodium Storage”為題發表在Advanced Functional Materials上,上硅所博士研究生呂卓然、彭柏鑫與復旦大學博士后呂希蒙為本文共同第一作者,黃富強教授為通訊作者。本工作得到復旦大學鄭耿鋒教授團隊的支持。

本工作的亮點如下:

1、化學集成插入型In?S基序與合金型Bi2S3得到陽離子無序 (BiIn)2S3。一方面,In?S基序在鈉化過程中可在空間上限制金屬Bi的體積膨脹,保持相對較小的結構變化;另一方面,較強金屬性In的引入使Bi原子周圍電子云更離域,Bi?S鍵共價性增強,促進Bi?S鍵在充放電過程中的可逆重構,從而有效阻止金屬Bi的遷移團聚。

2、DFT計算表明In的引入增加了Na+吸附能并降低Na+擴散能壘,有利于Na+插入、吸附和擴散。

3、(BiIn)2S3負極表現出優異儲鈉性能。在0.4C下提供537 mAh g?1的高容量,在40 C超高倍率下容量為297 mAh g?1,循環10000次后容量保持率為85%。

4、采用原位Raman、原位XRD等一系列原位/非原位表征研究反應機理。原位Raman顯示Bi?S特征振動峰在電化學過程中經歷消失到重現的過程,證實Bi?S鍵在放電過程中斷裂并在充電終態可逆重構,而In?S振動峰在電化學過程中一直存在僅有強度變化,證實引入In?S基序在電化學過程中的積極作用,揭示優異電化學性能的原因。

圖1. 陽離子無序(BiIn)2S3的結構設計、能帶變化示意圖及DFT理論計算Na+吸附能與擴散能壘


圖2. (BiIn)2S3的微觀形貌與結構表征


圖3. (BiIn)2S3的儲鈉性能及動力學分析


圖4. (BiIn)2S3儲鈉機理原位/非原位表征及鈉化過程能帶變化示意圖

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 結  論  

綜上所述,通過將插入型In?S基序引入合金型硫化物Bi2S3結構中得到陽離子無序 (BiIn)2S3實現超快鈉離子存儲。In?S基序的引入提供空間限域并增強Bi?S鍵合共價,可在電化學過程中保持結構穩定并抑制Bi原子的遷移團聚。(BiIn)2S3負極具有優異的快充性能和循環穩定性,在40 C的超高倍率下容量為297 mAh g?1,循環10000次后容量保持85%。該工作為高能量與功率密度二次電池的電極材料設計提供新的思路。


原文鏈接:

Zhuoran Lv, Baixin Peng, Ximeng Lv, Yusha Gao, Keyan Hu, Wujie Dong, Gengfeng Zheng, Fuqiang Huang. Intercalative Motifs-Induced Space Confinement and Bonding Covalency Enhancement Enable Ultrafast and Large Sodium Storage. Advanced Functional Materials, 2023. https://doi.org/10.1002/adfm.202214370


通訊作者簡介

黃富強教授 中國科學院上海硅酸鹽研究所首席研究員、北京大學博雅特聘教授,擔任中國化學會能源化學專業委員會主任,中國科學院上海硅酸鹽研究所先進儲能創新中心主任。長期從事無機固體化學與新能源材料與器件研究,以通訊/第一作者在Science、Nat. Mater.、Nat. Energy、Nat. Phys.、Nat. Catal.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等發表SCI論文600余篇,H因子95,他引超35000次,入選全球高被引科學家榜單;獲授權發明專利120余項(國外15項)。主持科技委重點項目、國家重點研發計劃、科技部973和863項目、國家杰出青年科學基金、基金委重大研究計劃以及產業化等項目40余項。以第一完成人獲國家自然科學二等獎1項(2017年)、上海市自然科學一等獎2項目(2016、2019年)。




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