二硫化鉬共價組裝超結構用於鋰/鈉離子電池,同濟教授為解決二維層...

2021-01-12 同濟大學新聞網

二硫化鉬共價組裝超結構用於鋰/鈉離子電池，同濟教授為解決二維層狀材料能源應用中的固有問題提供了一種新策略

來源：化學科學與工程學院   時間：2020-05-29  瀏覽：

發展高性能、資源豐富和環境友好的儲能技術是解決當前能源和環境危機，實現可持續發展的重要保障。由於具有較大的層間距和較高的理論儲能容量，二維層狀結構材料被認為是新一代高性能二次離子電池理想的電極材料。然而，二維材料層間典型的弱範德華力作用，使得電子不能垂直於片層進行跨層傳輸，降低了材料整體的電子傳輸效率；並且在離子反覆脫嵌過程中層狀結構也容易破壞，最終造成電池性能的嚴重劣化。

日前，我校化學科學與工程學院楊金虎教授、張弛教授和復旦大學的車仁超教授合作，以典型的層狀材料二硫化鉬為研究對象，通過設計一種全新的共價組裝策略，構建了二硫化鉬超薄納米片與硫化亞錫納米點以共價鍵組裝的中空超結構用於高性能的鋰/鈉離子電池。相關成果以「Covalent Assembly of MoS2 Nanosheets with SnS Nanodots as Linkages for Lithium/Sodium‐Ion Batteries」為題發表在Angew. Chem. Int. Ed. （2020, doi/10.1002/anie.202005840）上。

二硫化鉬層間共價組裝超結構在鋰/鈉離子電池的應用中具有獨特優勢。首先，硫化亞錫以納米點的形式均勻錨定在二硫化鉬片層之間，增強了片層間的作用力，賦予材料結構以高的機械穩定性。其次，構建的層間共價鍵為電子在片層間的垂直傳輸提供了通道，提高了材料整體的電子傳輸效率。同時，DFT 理論模擬計算也表明該結構可有效降低鋰離子的擴散遷移勢壘，有利於電化學反應的快速發生，從而有利於電池倍率性能的提高。最後，通過原位電鏡和力學計算分析，二硫化鉬層間共價組裝超結構可有效緩解鋰離子嵌入時產生的應力，使循環過程中結構保持不破壞。最終，該共價組裝超結構在鋰/鈉離子電池應用中表現出高的比容量，優異的倍率性能和良好的循環穩定性。該工作為解決二維層狀材料能源應用中的固有問題提供了一種新策略。

楊金虎教授為論文的通訊作者，張弛教授、復旦大學車仁超教授等為共同通訊作者。我校化學科學與工程學院碩士研究生茹佳佳與博士生賀婷（現為清華大學水木學者博士後）為共同第一作者，同濟大學為第一單位。 

論文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202005840


相關焦點

  • 鈉離子電池及鋰硫電池最新研究進展匯總
    上述有機薄膜可以作為鋰離子和鈉離子電池獨立的柔性電極，鋰離子電池中可逆容量可達到1050 mAh·g-1，鈉離子電池中為650 mAh·g-1。電極還顯示出優越的倍率和循環性能，應歸因於其擴展的π-共軛體系以及高表面積的分層孔隙。6.
  • 楊金虎教授鈉離子電池負極材料可逆晶態相變研究取得重要進展
    然而，電池負極材料在鋰離子嵌入和解嵌過程中發生的巨大體積變化會引起電極材料的坍塌和非晶化，造成電池性能的全面劣化。當前電池負極材料的研究主要關注於解決電極結構坍塌的問題，並取得了較大的進展，但對電極材料非晶化問題一直缺乏有效的解決方案。因鈉資源更為廉價、易得的優勢，鈉離子電池成為替代鋰離子電池的首選，並有望在智能電網等規模儲能應用中發揮巨大作用。
  • AEnM:水系鋰、鈉離子電池SEI膜的原位構建
    鋰離子電池由於較高的能量密度和環境友好的優勢，大量用於儲能電站。但是有機電解液的使用，使其規模化應用存在一定的安全隱患。鉛酸電池具有安全性高、成本低的優點，通過摻碳電池壽命可達5000次，能量密度達到40瓦時/千克，廣泛應用於儲能系統，但是其存在一定的環境汙染缺陷。因此，安全性高、無汙染的綠色水系金屬離子二次電池非常適用於儲能系統。
  • 鈉離子電池:鋰電池盛世下的「後起之秀」
    德州大學達拉斯分校下屬的埃裡克強森工程與計算機科學學院材料科技與工程專業的Kyeongjae Cho教授表示：「鋰的價格較為昂貴，礦產資源有限，全球只有幾處鋰礦。但鈉就不存在礦產不足的問題，完全可以從海水中提取。」
  • 俞書宏教授:MoS2納米片組裝於碳纖維上助力提升鋰離子電池性能
    近年來，二維過渡金屬硫化物，特別是具有分層結構的層狀二硫化鉬，因其層狀納米結構和物理化學性質而受到廣泛關注。此外，大量的活性位點分散在層狀二硫化鉬中，使超薄層狀二硫化鉬具有較高的理論容量(~670 mA h g-1)，比鋰離子電池工業電極材料更有前途。然而，在循環過程中，其固有的導電性差(與電子和鋰離子有關)，硫的電化學性質較弱，導致容量衰減嚴重，倍率性能較差。
  • ...同步提高三維多孔碳網絡的石墨化和表面積作鋰/鈉離子電池的高...
    為了克服這些缺點，常用的有效手段是引入輕質雜原子（例如N，P，S，B等），提高石墨化程度，或設計獨特的結構（例如微球，納米線，納米纖維，多孔結構等）。　　這是因為碳質材料的輕質雜原子摻雜可以擴展碳層的層間距並改善碳材料的浸潤性；提高碳質材料的石墨化程度可以增加材料的導電性和電化學穩定性；此外，將多孔結構引入碳材料中以提高鋰\鈉離子電池的循環容量和速率能力。
  • 原位構建有序結構的SEI層用於高性能鋰金屬電池
    打開APP 原位構建有序結構的SEI層用於高性能鋰金屬電池 小材科研 發表於 2020-12-23 17:19:07 可攜式智能器件與長續航電動汽車的發展對可充電的二次電池的能量密度提出了更高的要求
  • 同濟大學黃雲輝ESM一種用於高容量鋰金屬電池的「吃枝晶」型隔膜
    然而，隨著對鋰離子存儲基體的深入研究和對鋰離子電池技術的不斷優化，傳統結構的鋰離子電池已經接近了其理論能量密度極限。為了滿足對鋰電池的能量密度不斷增長的需求，由於其高理論容量（3860 mAh g1）和低電化學勢能（3.04 Vvs.SHE）。通過使用鋰金屬代替石墨負極，可以獲得電池級能量密度約50％的提升。
  • 鈉離子電池高電壓正極材料低能耗規模化製備取得重要進展
    使用廣泛的鋰離子電池由於鋰資源價格昂貴以及地質儲量有限等因素可能不能滿足大規模儲能的需求。而鈉離子電池由於鈉資源儲量豐富且價格低廉越來越引起人們的廣泛關注，並有可能在大規模儲能領域獲得應用。我們知道，可充電電池廣泛用於生活中的諸多方面。使用廣泛的鋰離子電池由於鋰資源價格昂貴以及地質儲量有限等因素可能不能滿足大規模儲能的需求。而鈉離子電池由於鈉資源儲量豐富且價格低廉越來越引起人們的廣泛關注，並有可能在大規模儲能領域獲得應用。
  • 18650鋰電池組組裝方法
    18650鋰電池組組裝需要理解的幾個特點：1、18650鋰電池組是有多個18650電芯通過串聯和並聯的方式焊接組裝成的；2、18650鋰電池組需要電池保護板對個個18650電芯進行均衡和保護；3、18650鋰電池組每個電芯之間的電壓誤差要在10毫伏以內
  • 在50年後 鋰離子電池的難兄難弟鈉離子電池終於實現量產!
    而鈉與鋰屬於同一族元素，它們的化學性質相似，因此理論上鈉也可以像鋰相同用來做電池。 　　但是鈉的原子半徑比鋰要大很多，因為鈉原子比鋰原子要多8個電子，所以鈉原子自然要大得多，而且它比鋰要重很多，使得單位質量的電池儲能就要比鋰少。
  • 華中科大孫永明教授團隊在快速充放電特性鋰金屬電池研究取得進展
    針對傳統金屬鋰箔電極與液體電解液接觸面積小，鋰離子在電極界面傳輸慢，進而限制了金屬鋰箔電極的倍率性能的問題，華中科技大學-武漢光電國家研究中心孫永明教授團隊提出在鋰金屬箔材內部構建鋰離子高速傳輸網絡，從而提高鋰金屬電極倍率性能的解決思路，為高倍率鋰金屬負極材料的設計提供了新的方向。
  • 在50年後,鋰離子電池的難兄難弟鈉離子電池終於實現量產!
    中科海鈉是一家專注於新一代儲能體系 - 鈉離子電池研發與生產的高新技術型企業，企業擁有多項鈉離子電池材料組成、結構、製造和應用的核心專利，是國際少有擁有鈉離子電池核心專利與技術的電池企業之一。公司聚集領先的技術開發團隊，現擁有以中國科學院物理研究所陳立泉院士、胡勇勝研究員為技術帶頭人的研究開發團隊。什麼是鈉離子電池?
  • 新型自組裝化學層可防止鋰金屬電池因枝晶生長而失效
    賓夕法尼亞大學的一支研究團隊表示，其開發的一種將鋰金屬摻入陽極的技術，有望將鋰電池的能量密度提升到全新的水平。其最大的特點，就是可以藉助「自組裝層」來解決困擾研究人員已久的一個問題 —— 幫助鋰金屬電池保持正常的工作。此外通過將銅和石墨換成純鋰陽極，不僅能夠催生 10 被容量的電池、還可極大地改善充電速度。
  • KAIST提出以硫化銅為電極材料 助推鈉離子電池商業化
    （圖源：KAIST官網）蓋世汽車訊 鋰離子電池（LIBs）自面市以來，已被廣泛應用於各種電化學儲能應用，包括行動裝置、電動汽車和儲能系統（Ess），是最受歡迎的可充電電池類型之一。但是，隨著需求的增加，其價格在過去幾年也有所上漲。
  • 鈉離子電池正極材料挺「錳」 有望取代鋰電池
    鈉離子電池正極材料挺「錳」 有望取代鋰電池科技日報南京12月6日電 （通訊員 崔玉萌 記者張曄）鋰離子電池應用越來越貼近百姓生活，但地球上鋰資源十分有限，且開採成本高。開發一種替代電池成為各國科學家努力的重要方向。
  • 新能源汽車電池最新研究進展,高容量的鈉離子電池
    隨著全球能源存儲需求在越來越多的領域的不斷增長，如電動汽車、混合動力汽車, 特別是用於緩衝間歇性能源的大型電網儲能(太陽能、風能、潮汐能等領域，鋰離子電池由於受制於鋰的成本和有限的可用性，無法滿足社會的需求。因此，除了鋰離子電池之外還需要還發其他的電池技術。
  • 鈉離子電池
    由於以「風光儲電力」為核心的第三代能源已經全面擺脫補貼並全面進入平價時代，人類在未來的100年中，可以不再依賴於資源分布極為不均的「煤油氣」，而依賴於只要有土地和陽光就能產生的光伏電力。而人類能源結構在未來30年中的重大變化，必將作用於未來100年，也必將推動全球政治上層建築的深化與發展。
  • 【科技】中科大餘彥教授&合工大項宏發教授團隊AEnM:二氟磷酸鋰基|雙鹽低濃度電解液用於鋰金屬電池
    鋰金屬電池                                                                      鋰金屬電池（LMB）具有極高的理論比容量（3860 mAh g-1）和最低的標準氧化還原電位（3.040 V），是最有前途的儲能體系之一。
  • 共價有機骨架材料構築原子尺度精確親鋰位
    研究組報導了基於共價有機骨架（Covalent Organic Framework，COF）材料進行原子尺度下親鋰位點設計的策略。該方法使用了一種環硼氧烷結構的共價有機骨架，COF-1，以構築長程有序的親鋰骨架，用於抑制鋰枝晶生長。