1. 高性能锂(钠)离子电池

   锂离子电池的兴起为人类生活提供了一种方便快捷的可携带能源。全球锂电池市场需求量随着应用领域的不断扩展而迅速增长。近年来,全球新能源汽车产业在技术不断成熟、政府扶持政策不断落地的大背景下呈现出快速产业化的趋势。电池产业迫切需要通过材料创新来满足人们对高能量、高功率、低成本储能的需求。


1.1 界面修饰提高电极材料的载流子传输能力


   电化学储能材料大多为半导体或绝缘体,其载流子迁移性能无法满足快速充放电的要求。基于前期研究的成果,课题组研究了纳米碳与电极材料的界面相互作用及其对材料储能的影响机制。我们在功能化的碳纳米管(CNT)表面通过控制硫代乙酰胺的水解过程来调控Bi2S3在CNT表面的沉积。通过Raman光谱和X射线吸收光谱证明Bi2S3和CNT的界面存在着电荷转移(强耦合作用)。界面耦合作用可以调控着载流子的传输能力,因此,该Bi2S3@CNT耦合材料表现出优异的倍率充放电特性(图1,Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1400798)。此工作被MaterialsViewsChina网站(http://www.materialsviewschina.com/2015/01/15212/)选为亮点工作进行了报道。

图1. Bi2S3@CNT强耦合材料(Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1400798)


1.2 表面调控改善电极与电解液的相容性


   在电化学电池中,正负极和电解液之间存在着一个很薄的界面层,这个界面层大部分情况下是电子的绝缘体而是离子的导体。界面层的性质由电极和电解液的相容性决定,同时也受到所处电场的影响。课题组以高电压的LiCoPO4为对象,研究了表面包覆层抑制电解液分解等副反应的理论机制。针对常规的碳包覆层不致密、不连续等问题,我们提出了现场包覆的方法,构筑完整的碳包覆网络,提高电极的循环稳定性(Electrochim. Acta 2012, 70, 349)。我们进一步研究了不同的碳包覆途径的影响(J. Power Sources 2013, 221, 35),采用表面微观分析技术,合理解释了碳包覆改善材料与电解液界面稳定性的内在规律和理论机制(图2,Nano Energy 2015, 11, 129),并对这些工作进行了系统的总结(Carbon 2015, 92, 15)。

图2. 碳包覆超薄MoO2纳米片(Nano Energy 2015, 11, 129)


2. 柔性储能器件


   近年来,柔性光电子器件以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺,在信息、能源、医疗等领域具有广泛应用前景(图3)。柔性电子技术有可能带来一场电子技术革命,引起全世界的广泛关注并得到了迅速发展。相应的,这些器件需要高性能、低成本的柔性储能器件去驱动。但目前的传统工艺决定了锂离子电池是非柔性的、易脆的。因此,开发适应于柔性光电子器件的低成本储能器件具有巨大的经济和社会价值。

图3. 柔性电子器件及其应用


2.1 基于柔性金属基底的三维电极材料设计


   通过三维电极结构设计,使离子扩散的路程始终保持在较短的距离,电极的能量密度与功率密度不再紧密关联。课题组采用电化学阳极氧化直接在钛金属基底上生长了TiO2纳米管三维自支撑阵列,通过控制电解液的成分来调控纳米管的直径及长度;进一步通过高温硫化处理,调控TiO2的能带结构及电子传输性能(图3, 硫化后的电子导电率提高了1000倍以上)。硫化的TiO2三维电极具有非常优异的储钠性能,在0.1C的倍率下具有高达320 mAh g−1容量,在10C的倍率下仍然具有167 mAh g−1的容量(Adv. Mater. 2016, 28, 2259)。

图4. 硫化TiO2三维电极(Adv. Mater. 2016, 28, 2259)


2.2 柔性三维钠离子电池


    我们采用水热反应在钛金属衬底上生长Na2Ti3O7三维纳米管阵列,然后用原子层沉积技术在其表面包覆一层TiO2,最后在硫蒸气中进行硫化处理。此表面修饰层可以有效地保护Na2Ti3O7的活性中心,抑制其对电解液分解的催化作用,同时硫化层具有高导电能力。此三维Na2Ti3O7电极展示了极其优良的钠离子电池负极性能,在10C的倍率下循环10000次,容量几乎没有衰减。为了展示该三维电极的实际应用前景,我们构建了Na2Ti3O7//Na2/3Ni1/3Mn2/3O2全电池。以正负极活性物质的质量计算,全电池的能量密度达到110 Wh kg−1,接近实用的水平。该钠离子电池可以可以在柔性器件中得到应用。(图5,Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1502568)。


图5. Na2Ti3O7钠离子电池器件(Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1502568)

研究方向 Research




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