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化学与环境科学学院 - 学术动态
2019-12-11 16:48:00 来源:本站原创

我院先进电池材料团队青年教师张宁、王红强取得系列研究进展

近期,我院先进电池材料化学团队张宁副教授、王红强副教授分别基于锌离子电池和锂硫电池体系及其关键功能材料取得了系列研究进展。

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图1 柔性准固态Zn-VOH电池器件和性能评价

可充水系锌电池凭借安全性高、资源丰富、环境友好等优势在大规模储能体系展示出良好应用前景,但缺乏高性能储锌正极材料。该研究团队利用电化学沉积技术设计了一种水合钒氧化物纳米带(V5O12·6H2O (VOH)),其较大的层间距(1.18 nm)有利于Zn2+的脱嵌,丰富的层间结构水具有电荷屏蔽功能,可以削弱Zn2+和VOH间的静电斥力,显示出了良好的反应动力学和电化学性能。通过设计柔性水基凝胶电解质,构建了高性能柔性准固态Zn-VOH电池器件(图1)。该成果为储锌正极材料的研制以及柔性电池器件的开发提供了新思路。相关研究成果发表在Advanced Functional Materials (2019, 29, 1807331),入选了2019年ESI高被引论文,硕士生贾铭为学生第一作者,张宁副教授为通讯作者,河北大学为第一完成单位。这是继该团队2018年关于钒氧化物正极材料研究成果(ACS Energy Letters, 2018, 3, 1366-1372, 入选ESI高被引论文, 被引70次,张宁副教授为通讯作者)发表后的又一突破。

针对锌基电池工作电压较低的问题(一般低于1.7 V),该研究团队设计了一种高电压可充锌-石墨电池体系,实现了2.2 V平均放电电压平台(图2a)。机理研究表明,在充/放电过程中,TFSI-阴离子可逆的嵌入/脱出石墨正极层间结构中,金属Zn在负极表面可逆的沉积/析出。该工作拓宽了锌基电池的选择范围,相关研究成果近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces (2019, 11, 32978)。此外,针对传统有机电解液易燃易爆的问题,该研究团队设计了一种新型磷酸酯类电解液体系,其具有高阻燃性、宽电压窗口的特点,能够抑制金属枝晶的生成,显著提升了电池高安全性(图2b),相关研究成果近期发表在ACS Applied Energy Materials (2019, 2, 2708)。以上论文第一作者为我院博士生董阳,张宁副教授和徐建中教授为共同通讯作者,河北大学为第一完成单位。

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图2 (a)高电压可充锌-石墨电池研究; (b)高安全性阻燃磷酸酯电解液研究

该研究团队围绕锂硫电池体系也取得重要研究进展。针对硫正极导电性差、体积膨胀和穿梭效应等科学难题,该团队设计了一种双金属氧化物NiFe2O4空心球和碳(rGO/CNTs)材料协同构建的柔性硫正极材料(图3)。该纳米结构硫电极的复合设计,既充分发挥碳材料对硫的物理限域及电子/离子的快速协同输运,又体现双金属氧化物化学极性吸附锚定多硫化锂和加速多硫化物氧化还原反应的设计思路。该工作从新的视角去设计锂硫电池宿主材料及其吸附/催化协同作用,有效解决了硫正极面临的技术难题。相关研究成果发表在Journal of Physical Chemical Letters (2019, 10, 6518-6524),硕士生张娜为学生第一作者,王红强副教授为通讯作者,河北大学为第一完成单位。

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图3 柔性自支撑NiFe2O4@S/C硫电极结构示意图

针对碳材料作为载硫基质在长循环周期下抑制穿梭效应的局限性,该团队采用一步法原位合成具有独特化学结构稳定性的硫硒化聚丙烯腈作为正极材料。该材料以高导电性碳作为主链,活性物质S和Se作为储能侧链(图4),此类有机复合材料中的活性物质S和Se以无定形小分子与导电主链中的碳形成化学键,因此能够有效抑制放电产物的溶解。该正极材料在醚类电解液中表现出了优异的储钠性能和储钾性能。相关研究成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces(2019, 11, 29807-29813)。王红强副教授和徐建中教授为共同通讯作者,河北大学为第一完成单位。基于在锂硫电池领域良好的研究基础,该团队综述了当前基于化学吸附作用的极性材料在锂硫电池中的最新研究进展,并指出无机极性材料和有机极性材料在锂硫电池未来研究发展中的设计方向。该综述论文发表在Advanced Functional Materials (2018, 28, 201707520),他引超过70次,入选2019年ESI热点论文。王红强副教授为第一作者,河北大学为第一完成单位。以上研究工作得到了国家自然科学基金,河北大学高层次人才引进经费,河北省优秀青年科学基金等项目的大力支持。

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图4. 新型有机硫硒化聚丙烯晴化学结构及储钠和储钾性能

Advanced Functional Materials是Wiley旗下材料类顶级期刊,中科院分区大类一区top期刊,影响因子15.62。ACS Energy Letters是美国化学会旗下能源化学领域顶级期刊,中科院分区大类一区top期刊,影响因子16.33。Journal of Physical Chemical Letters是美国化学会旗下物理化学领域顶级期刊,自然指数收录期刊,中科院分区大类一区top期刊,影响因子7.32。ACS Applied Materials & Interfaces是美国化学会旗下期刊,中科院分区大类一区top期刊,影响因子8.456。ACS Applied Energy Materials 是美国化学会旗下能源材料类新期刊。





(科研办公室 供稿)


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