我校在高比能金属锂/钠-硒电池正极材料研究方面取得重要进展

2016-07-08 合肥工业大学

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6月27日，美国化学会旗下纳米领域学术期刊《纳米快报》（影响因子IF = 13.773）以“The Electro-chemistry with Lithium versus Sodium of Selenium Confined To Slit Micro-pores in Carbon”为题在线发表了以我校化学与化工学院青年教师辛森为第一作者的研究成果（Nano Lett. 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01819）。该课题组在俞书宏教授指导下分别与中国科学院化学研究所郭玉国研究员课题组、国际著名锂离子电池先驱开拓者美国德克萨斯大学奥斯汀分校John B. Goodenough教授课题组以及美国斯坦福大学崔屹教授课题组等开展密切合作，通过对纳米孔道的尺寸进行精确调控，成功制备了一种基于微孔碳基底的新型链状硒正极材料，并对其在高比能金属锂/钠二次电池中的电化学进行系统研究。

包括氧、硫、硒、碲在内的VIA族元素及其化合物，在用于锂/钠二次电池电极材料时具有容量高，来源丰富，成本低廉等显著优势，是构建高比能金属二次电池的理想材料。该课题组近两年围绕VIA族元素及其化合物在高比能金属二次电池中的电化学及应用，开展了一系列的研究工作。迄今为止，课题组成员已在高比能锂离子电池硫化物负极（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 11552），锂-氧气电池正极（ACS Appl. Mater. Inter. 2016, 8, 6520），锂-硫电池正极（ChemNanoMat 2016, DOI: 10.1002/cnma.201600065），锂-碲电池正极（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 3580，Inside Back Cover）等研究领域取得系列研究进展。在硒正极的研究方面，课题组发现硒正极的体积容量密度（3250 mA h cm-3）与目前在碱金属二次电池中被广泛研究的硫正极（3470 mA h cm-3）相当。同时，硒的电导率远高于硫，使它与锂离子/钠离子之间的电化学反应活性显著提高。因此，以硒为正极，锂、钠等碱金属为负极组装的碱金属-硒二次电池（如锂-硒电池、钠-硒电池等），预计可提供与碱金属-硫二次电池相当的体积能量密度，使其成为未来角逐高端电子产品市场的有力竞争者。

然而，直接利用体相硒制备的正极，尽管电活性较硫正极有所提高，但仍不足以满足大电流充放电的要求，同时循环过程中仍存在一定程度的穿梭效应，不利于电池的长期循环。为解决这个问题，该课题组借鉴在限域小分子硫正极方面的先期研究经验（J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 18510; Adv. Mater. 2014, 26, 1261），将硒通过加热方式引入具有特定孔尺寸和孔结构的微孔碳载体中，利用微孔碳的限域效应使硒以链状分子形式分散于碳基底中，制备出链状硒/微孔碳复合材料。由于链硒分子的高电化学活性，以及微孔碳基底的高导电性和对硒分子的限域效应，复合硒正极材料在锂-硒和钠-硒原型电池中均表现出优异的电化学性能。同时，利用半原位拉曼光谱研究结合第一性原理计算，研究人员发现微孔碳的空间限域效应导致链硒分子在金属锂/钠二次电池中表现出不同的电化学行为：在锂-硒电池中，硒链上所有的硒原子可与锂同时发生反应，表现为“一步式”反应过程；在钠-硒电池中，钠离子首先与硒链两端的原子发生反应，随着电化学反应不断进行，硒链逐渐缩短，表现为“分步式”反应过程。基于该硒正极的锂-硒和钠-硒原型电池，具有不逊于碱金属-硫电池体系的高理论能量密度，远高于目前商品化的锂离子电池，同时具有循环寿命长，支持快速充放电等优点。这种新型复合正极材料的成功制备，为构建高比能金属二次电池体系提供了更多选择。论文投稿后，获得审稿人高度评价，并建议直接发表。该论文一经在线发表后，即被该刊选为Most Read Articles。

论文第一作者辛森是我校化学与化工学院引进的优秀青年人才，博士期间已经在Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等国际著名期刊上发表论文30余篇，其中第一作者论文6篇 (1篇IF > 20，另有3篇IF > 10)，其博士论文曾获得中国科学院百篇优秀博士论文奖，目前正主持国家自然科学基金青年科学基金项目、安徽省自然科学基金面上项目、中央高校基本科研业务费专项资金等项目。该项研究还受到中国科学院、美国能源部的支持。

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