张云、吴昊团队在高比能储能电池电极材料研究方面取得重要进展

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高面积容量和高体积容量对于开发实用型储能系统都至关重要，特别是考虑到电子设备的有限面积和体积时。锂离子电池中常用的石墨负极由于其中庸的理论质量和体积容量，无法满足未来巨大的高能量密度需求。近日，四川大学材料科学与工程学院张云教授、吴昊研究员团队在聚锑酸基高体积/高面积能量密度锂离子电池研究方面取得重要进展，相关研究成果“Synergistic Structural Engineering of Tunnel-Type Polyantimonic Acid Enables Dual-Boosted Volumetric and Areal Lithium Energy Storage”发表在Advanced Energy Materials上，并被邀请作封面论文。该论文第一作者为四川大学材料科学与工程学院2019级硕士研究生雍凯（现2022级博士研究生），通讯作者是吴昊研究员和武开鹏副研究员，四川大学为唯一署名单位和通讯单位。
        聚锑酸因其具有独特的互连隧道型烧绿石结构和五价的锑元素，是一种潜在的低成本、高容量锑基储能电极材料。在2020年本团队就首次报道了聚锑酸在锂离子电池中的应用（Advanced Energy Materials, 2020, 10, 1903119）。为了克服聚锑酸极低的本征电导率和锂化反应过程中的剧烈体积变化，团队又提出采用元素取代调控聚锑酸电子结构以及与高导电石墨烯相结合的“纳米结构调控”和“导电网络构筑”的策略（Advanced Science,2021，8,2002866），成功实现了聚锑酸在快充锂电负极中的应用。然而，上述制备电极的振实密度却明显减小，大幅降低了电池的体积能量密度。因此，如何实现基于聚锑酸负极的高面积容量和体积容量材料开发成为研究重点。
         为此，团队研究人员通过一种简便且可扩展的方法，基于一锅水热法和行星球磨法，成功制备了锰取代聚锑酸和鳞片石墨的复合材料作为高性能负极。通过理论计算与非原位/原位TEM、XRD实验揭示了由此构建的复合材料的几大优点：1）通过Mn2+取代和鳞片石墨复合，可以大大提高聚锑酸和复合材料的本征和整体电导率；2）Mn2+取代聚锑酸高的理论密度保证了所得复合材料具有相对较高的振实密度，从而具有相当大的体积能量密度；3）二维鳞片石墨不仅能有效抑制聚锑酸在循环过程中的体积变化，而且建立了一条连续的导电高速通路，有利于电荷转移，特别是在高质量载量的厚电极中。

图2 原位表征技术与揭示材料相结构与微观形貌转变机制

          得益于这些结构优点，具有高振实密度的复合材料表现出出色的质量/体积比容量（0.1 Ag-1电流密度下1046 mAh g-1/1203 mAh cm-3）以及快速充电能力（13分钟充满75%的容量）。更重要的是，还首次展示了基于3D打印电极的构建，通过可调质量载量与定制电极形状同时实现了较高的体积和面容量。与商业高载量的LiCoO2正极（如18.0mg cm-2）匹配，全电池可达到7.3 mWh cm-2的优异面能量密度和853Wh L-1的体积能量密度（基于整个正/负极），其性能优于所有先前报道的所有锑基锂离子全电池。
        本研究不仅成功开发了一种可行有效的协同结构工程策略实现了聚锑酸在高体积/高面积能量密度锂电池中的应用，同时也为其进一步开发与推广应用奠定了重要的研究基础。
        上述研究工作得到“国家自然科学基金（21878192）”，“中央高校基本科研专项资金（2016SCU04A18）”，“四川大学研究生科研创新基金”的资助支持。
        论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202200653
        DOI：10.1002/aenm.202200653


        文章来源：四川大学
        张 云，男，1968年生，四川大学教授，博士生导师，四川省学术与技术带头人后备人选，中国化学会电化学委员会委员。1992年和1995年分获东北大学有色冶金专业工学学士和硕士学位，2006年获四川大学材料物理化学专业工学博士学位；1995年～2001年在成都理工大学应用化学系工作，2006年～2007年英国牛津大学化学系访问学者。主要从事锂离子电池关键材料和储能技术开发与产业化、纳米粉体材料的合成与应用研究等方向的教学与科研工作。参加或承担各类科研项目20余项，包括国家“863”、国家“973”、国家自然科学基金重点、四川省科技攻关以及校企合作项目；获国家授权发明专利6项，公开国家发明专利15项；在Advanced Functional Materials, J. Mater. Chem. A. ACS Applied Materials & Interfaces. J. Power Sources, Colliods and Surface B,  J.Alloys Compd.及《化学学报》等期刊发表SCI论文40余篇。
       吴昊，四川大学材料科学与工程学院新能源系引进人才，研究员，博士生导师，全国百篇优秀博士论文获得者，英国皇家化学会“TOP 1% 高被引中国学者（2019）”，四川省特聘专家，四川大学“青年科学技术带头人”。2010年获四川大学工学博士学位；2010年～2011年在四川大学高分子科学与工程学院博士后工作站工作，2011年～2013年澳大利亚昆士兰大学化工学院博士后。2014年～2018年四川大学材料科学与工程学院副教授，2018年9月破格晋升为研究员（正高四级）。主要从事纳米材料在能源、化工、环境等领域的应用；特别是近几年在新型锂离子电池电极材料、多孔碳材料等领域进行研究工作；先后承担多项国家与省部级科研项目，包括国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目和青年基金、教育部优秀博士论文专项基金、四川大学优秀青年基金、四川省重点攻关项目等。已在包括Science子刊在内的多个国际知名学术期刊发表SCI论文100余篇，10余篇论文入选ESI TOP 1%高被引论文，H-Index因子35。