硼烯有望成为优异的钠基电池负极材料 |Science Bulletin封面文章
长期以来，寻找具有大容量、高钠扩散率以及良好循环性能的钠负极材料是促进钠基电池早日商业化的关键。近日，香港科技大学赵天寿教授课题组发现硼烯有望成为优异的钠基电池负极材料。这种新合成的二维硼结构理论容量高达1218 mAh·g–1，更为重要的是，这种材料对应的钠扩散能垒低至0.0019 eV, 从而有望对钠基电池的倍率性能带来革命性的提升。Science Bulletin 2016年第14期以封面文章报道了这一最新进展。
相比较于传统的锂基电池，钠基电池因其使用丰富且廉价的钠元素而备受关注。长期以来，寻找具有大容量、高钠扩散率以及良好循环性能的钠负极材料是促进钠基电池早日商业化的关键。然而，由于钠原子尺寸比锂原子大很多，许多传统的锂基电池负极材料在钠基电池中表现并不理想，大多数存在嵌入效用低、动力学速率缓慢以及体积膨胀严重等问题。
近日，赵天寿教授课题组利用第一性原理计算全面探究了硼烯作为钠基电池负极材料的可行性。计算结果表明，这种新合成的二维硼结构在充电过程中，最大硼/钠元素之比可达0.5 (Na0.5B)，对应其容量高达1218mAh·g–1。
硼烯因其独特的褶皱结构导致了钠的扩散呈各向异性。沿硼烯中的谷方向，钠扩散的能垒低至0.0019 eV，对应的钠扩散率比传统的钠负极材料要快一千多倍，比已报道的其他二维材料快一至七个数量级。因此，硼烯应用于钠负极会对钠基电池的倍率性可能会带来革命性的提升。
在充放电过程中，硼烯的金属特性以及结构稳定性可以很好地得以保持，从而保证良好的电子传导以及循环性能。计算结果显示平均开率电压为0.53 V, 因而可以在抑制枝晶生长的同时将电池的能量密度最大化。迄今为止，同其他已报道的钠负极材料相比，硼烯具有最高的钠扩散率。
该项目由中国香港特别行政区研究资助局提供支持。
Le Shi, Tianshou Zhao, Ao Xu and Jianbo Xu
Ab initio prediction ofborophene as an extraordinary anode material exhibiting ultrafast directionalsodium diffusion for sodium-based batteries
Science Bulletin, 2016,61(14)1138-1144
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