哈尔滨师范大学&哈尔滨工程大学Nano Energy：构建新型“气泡纳米棒”混合纤维结构实现焦磷酸盐基柔性电极的高效储钠/锂能力

【本文亮点】

（1）构造“气泡纳米棒”分级混合纤维结构，为焦磷酸盐基柔性电极提供快速电子/离子传输路径。

（2）探索形成该结构的“局部燃烧”机制，为新型复合结构的构建提供帮助。

图形概要：“气泡纳米棒”分级混合纤维是一种高效的架构，可实现焦磷酸盐的卓越性能，为制造高性能的锂/钠电池用柔性电极提供帮助。

【引言】

随着智能电子设备、电动汽车及大型电网的快速发展，对高比容量，高安全性和长寿命的电化学存储技术的需求日益增长。高性能二次电池（锂离子/钠离子电池）柔性电极材料的开发受到了人们密切的关注。在众多的柔性电极结构中，一维纳米纤维具有大比表面积和缩短的离子迁移通道，显示出巨大的优势。因此，其已经成为构建柔性电极的重要途径之一。但是，由于电子器件的快速发展，对存储技术的要求不断提高。目前，具有单一结构的纳米纤维已经不能满足电子设备对二次电池提出的要求。因此，需要设计高效的新型结构以促进柔性电极的储能性能。

【成果简介】

近日，哈尔滨师范大学邓超教授课题组和哈尔滨工程大学张森副教授合作在国际能源类知名期刊Nano energy上发表题为“Bubble-in-Nanorod Hierarchical Hybrid Fiber: A Highly-Efficient Design for Pyrophosphate-Based Freestanding Cathodes towards Fast Sodium/Lithium Intercalation”的文章。首次设计并构建了一种基于焦磷酸盐的“气泡纳米棒”分级混合纤维，通过“局部微燃烧”机制，巧妙的将含有焦磷酸盐纳米晶体的中空球体均匀嵌入一维纤维构架中，形成独特的分层复合结构。通过中空纳米“泡”和一维“纳米棒”复合结构，提供高效的电子和离子传输途径。同时，分层结构形成了晶体的保护网，从而提高了活性物质的循环稳定性。本文不仅介绍了实现优异的离子插层化学的高效复合结构，而且为制造高性能柔性电极提供了帮助。

【图文解析】

图1 “气泡纳米棒”焦磷酸盐基混合纳米纤维的合成示意图（a~c）及分级结构（d~f）。

图2 “气泡纳米棒”结构焦磷酸铁钠（a~d）和焦磷酸铁锂（e~h）复合纤维的SEM图。

图3 “气泡纳米棒”结构焦磷酸铁钠（a~d）和焦磷酸铁锂（f~i）复合纤维的TEM图。

图4 基于“局部微燃烧”的焦磷酸盐基“气泡纳米棒”分级复合纤维的形成机理。前躯体在煅烧过程中的结构演变过程：（i）基于PAN/焦磷酸盐的静电纺丝纤维; （ii）在较低温度的焦磷酸盐局部燃烧所形成的“气泡”; （iii）在较高温度PAN分解导致体积收缩; （iv）形成“气泡纳米棒”复合纤维结构。

图5 （a，b）焦磷酸铁钠和（c，d）焦磷酸铁锂基复合纤维的（a，c）GITT，QOCP结果和（b，d）离子扩散系数。

图6 焦磷酸铁钠（b，d，f）和参考样品（a，c，e）样品的（a，b）C1s，（c，d）O1s和（e，f）Na1s XPS谱图。参考样品（g）与混合纤维（h）在空气中失效机制示意图。

【总结与展望】

本文构造了基于焦磷酸盐的新型“气泡纳米棒”复合纤维结构，作为高效锂/钠电池的高性能柔性电极材料。通过将含有焦磷酸盐纳米晶的“气泡”均匀嵌入一维纤维中，巧妙的构造了“气泡纳米棒”结构。其不仅为电子和离子提供了高速传输途径，而且保护了活性物质，有效改善了焦磷酸盐基材料的电化学动力学和稳定性，为二次电池提供了高性能柔性电极。进而，首次探索了形成该结构的“局部微燃烧”机制，为设计新型电极结构提供了研究思路。因此，这项基础工作不仅提展示了构建高性能电极的高效架构，为推动先进钠/锂电池的发展提供了新线索。

该工作得到了黑龙江省杰出青年科学基金（编号：JC2015001）和哈尔滨市创新基金（编号：2017RAXXJ004）的支持。

Chao Deng, Sen Zhang, Huifeng Wang, Guoming Zhang, “Bubble-in-Nanorod” Hierarchical Hybrid Fiber: A Highly-Efficient Design for Pyrophosphate-Based Freestanding Cathodes towards Fast Sodium/Lithium Intercalation, Nano Energy, 2018, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.05.008.

课题组简介：

邓超教授课题组主要开展新型化学电源及相关领域的研究工作，内容涉及新型电极材料、高性能电池研发、电化学机理研究等方向。近年来主持国家自然科学基金、黑龙江省杰出青年科学基金等十余项，目前在Nano Energy, Energy Storage Materials, Journal of Materials Chemistry A, Nanoscale, ACS Applied Materials & Interfaces 等国际知名期刊上发表论文80余篇，H-index27。获得黑龙江省科技奖（自然科学类）二等奖、三等奖各一项，撰写学术著作３部，获得发明专利7项。本课题组研究生多次获得国家奖学金、学业奖学金、校友基金等各级奖励基金。

邓超教授联系方式：[e-mail]

热忱欢迎优秀本科毕业生加入本课题组！

部分论文列表：

1. J.Dong, G. M. Zhang, X. G. Wang, S. Zhang*, C. Deng*, Flexible Crossing-arranged Na2VTi(PO4)3@C Hierarchical Nanofibers as High-Performance Bi-Functional Electrodes for Symmetric Aqueous Rechargeable Sodium Batteries, Journal of Materials Chemistry A, 5(2017)18725-18736.

2. L. L. Ke, J. Dong, B. Lin, T. T. Yu, H. F. Wang, S. Zhang*, C. Deng*, NaV3(PO4)3@C Hierarchical Nanofiber in Highly alignment: Exploring a Novel High-Performance Anode for Aqueous Rechargeable Sodium Batteries, Nanoscale, 9(2017) 4183-4190.

3. C. Deng*, S. Zhang*, Novel Sodium Vanadium Pyrophosphate as a Superior High-voltage Cathode for Sodium Ion Battery, Energy Storage Materials, 4(2016)71-78.

4.  K. D. Li,Q. F. Li,H. F. Wang, S. Zhang*, C. Deng*, Anchoring Iodine to N-Doped Hollow Carbon Fold-Hemisphere: an efficient strategy towards High-Performance cathode for Rechargeable Lithium-Iodine Batteries, ACS Applied Materials & Interfaces, 9(2017)20508-20518.

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