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[材料资讯] 韩景宾课题组:基于CoFe层状双金属氢氧化物构筑高性能氯离子电池

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发表于 7 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式

二次电池作为一种电化学储能器件,在便携式电子产品及新能源汽车等领域发挥着重要作用。目前研究热点主要集中在以轻质金属阳离子,如Li+、Na+、K+、Mg2+等为传输离子的电化学体系上,尤其以Li+离子电池体系发展最为成熟。近年来,研究者开发了一种基于阴离子(如F−、Cl−)的穿梭实现能量存储的二次电池体系,这是由于这些阴离子的高电负性和适当的离子半径可以促进质量传递并提供宽的电化学稳定窗口。此外,氯离子电池还具有高达2500 Wh/L的理论体积能量密度,与Li-S电池相当。但是,在氯离子电池正极材料的开发方面还存在很多问题,如:较低的实际容量、电极材料在电解液中的溶解、充放电过程伴随着较大的体积膨胀等。因此,开发性能优异的新型正极材料是氯离子电池发展的关键。

层状双金属氢氧化物(英文缩写为LDH,又称水滑石类化合物)是少数阴离子型插层结构材料之一,具有层间阴离子可交换、层板金属可变价、层状结构稳定等特点。此外,近年来研究者发现LDH的层间二维离子通道具有很高的阴离子传导率,其ab面内的离子电导率可达10−2 S/cm,可作为一种高性能的离子导体。LDH的以上特征使其有望应用于氯离子电池的电极材料。

氯离子电池

氯离子电池

北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室韩景宾教授、卫敏教授课题组与周继升教授开展合作,首次利用Cl−插层CoFe-LDH作为正极材料、金属锂箔做负极、离子液体做电解液,制备了氯离子二次电池。该电池表现出优异的能量储存性能:首次放电容量为239.3 mAh g−1,在循环100次后,可逆容量稳定在~160 mAh g−1。利用XAFS、XPS、STEM-EELS等表征手段,证明了该电池的储能机理为LDH层间氯离子的嵌入/脱出,伴随着层板上Co和Fe发生可逆的氧化还原反应。该过程具有离子储存容量高、可逆性好、体积变化小等特点(约3%)。理论计算表明LDH是一种优良的Cl−离子传导体,Cl−离子在LDH层间具有很低的扩散能垒(0.12−0.25 eV)。由于该类电池中能量存储是基于Cl−离子在正负极之间的穿梭,因此避免了金属枝晶的生成,具有较高的安全性。此外,考虑到含氯正极材料的来源十分广泛,海水、矿产、盐湖等均含有丰富的氯资源,该类电池在大规模、低成本储能领域具有广阔的应用前景。

相关研究结果近期发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201900983),论文第一作者为北京化工大学博士生尹青。本工作得到了北京科技大学林鲲博士、中国科学院高能物理研究所郑黎荣博士的大力支持和帮助。

韩景宾,男,1983年生,教授,博士生导师。2001至2005年于沈阳化工学院获得工学学士学位。2006至2011年于北京化工大学获工学博士学位,导师为段雪院士及卫敏教授。2009年至2010年期间,在美国佐治亚理工学院交流学习。2013年在英国牛津大学做访问学者。2011年至今,在北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室从事层状功能材料研究,主要研究方向:(1)LDH基无机/有机复合材料的可控组装与性能调控;(2)新型层状结构复合功能材料的宏量制备及工程化研究。主持完成了科技部863课题1项、国家自然科学基金1项;正在承担国家自然科学基金1项,参与国际科技合作项目1项。以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Small、Chem. Commun.等刊物发表SCI论文30余篇,参与撰写专著2部,申请国家发明专利18件(获授权4件);论文被他人评论和引用800余次,单篇最高他引100余次,被Nature China网站选为“Research Highlight”1次;被Angew. Chem. Int. Ed.编辑部及RSC的官方blog选为“Hot Article”各一次。2016年入选北京市科技新星计划,2016年获得中国科技协会“青年人才托举工程”资助。

卫敏教授2001年于北京大学获理学博士学位,同年加入北京化工大学工作。2008年佐治亚理工学院访问学者。课题组长期从事二维插层化学与功能材料研究,已发展成为北京化工大学的特色研究方向,取得了一系列重要研究成果。卫敏教授领导的研究团队,历经17年的建设,已发展成为凝聚力强、开拓进取、活跃在国际二维插层化学前沿领域的一支生力军。近五年课题组在Nature Commun.、Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等刊物发表SCI收录研究论文150余篇。发表论文他引8200余次。多次受邀为国际知名期刊撰写综述文章,作为共同卷主编为Struct. Bond.编辑第166卷。课题组在二维插层化学和功能材料领域的研究工作,引起了国际同行的广泛关注和高度评价。课题组提出了“有机-无机杂化量子阱”、“二维限域荧光增强”、“层状前体拓扑转变”等概念,研究工作多次被NatureChina、RSC Chemistry Today、Wiley Materials Views China (MVC)、Advanced Science News、RSC Blog、X-MOL及材料人等学术媒介选“Research Highlight”和“Hot Article”进行报道和评述。课题组申请国家发明专利50余件(已获授权30余件),构筑了自主知识产权体系。



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