清華大學唐子龍團隊在超長壽命鈉離子電池材料方向取得新進展

2020-12-12 小材科研

近期，清華大學材料學院唐子龍教授課題組在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上發表了題為「轉換型一氧化錳納米棒作為鈉離子電池的結構穩定框架」（Conversion-Type MnO Nanorods as a Surprisingly Stable Anode Framework for Sodium-Ion Batteries）的研究成果。該研究打破了轉換型電極材料不能作為儲能電池的結構穩定框架的傳統認知。

在能源存儲材料中，納米材料雖可提供較高的比容量及較快的反應動力學，但容易發生形貌變化導致容量大幅衰減。因此，將納米材料和結構穩定框架進行複合可有效發揮納米材料的優勢。但是當前可選的結構穩定框架非常有限，即碳材料、導電聚合物和鈦基材料幾種非活性或嵌入型的電極材料。而轉換型和合金型電極材料通常被認為是高容量電極的代表，自身結構的電化學穩定極差，因此從未被考慮作為結構穩定框架使用。

圖1 一氧化錳納米棒-鉬基複合材料在鈉離子電池中（a~c）和鋰離子電池中（d~e）的電化學性能比較

針對這一問題，唐子龍課題組將轉換型一氧化錳納米棒作為結構穩定框架，負載高容量鉬基材料後的複合材料在70C的高倍率鈉離子電池中獲得了超過40000次的穩定循環（圖1a~c）。然而該複合材料在鋰離子電池中雖容量較高，卻只有不到500次的循環壽命（圖1d~e）。這說明轉換型電極材料的容量易衰減和結構不穩定並非其本徵屬性。當改變材料服役環境，限制其存儲容量發揮後（比如該研究中的一氧化錳從作為高容量鋰離子電池的電極材料轉變為低容量鈉離子電池的電極材料），轉換型電極材料同樣可以作為優異的結構穩定框架。這一設計策略有望對其他合金型或轉換型電極材料具有普適性，也為利用結構穩定框架與高容量納米材料之間的界面/鍵合特性進而合成高性能功能材料提供新的思路。

該論文的通訊作者為清華大學材料學院唐子龍教授和美國麻省理工學院王詩童博士，該研究得到了國家自然科學基金的資助。

來源 清華大學材料學院

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202001026

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