华南师范大学在钠离子电池负极材料领域取得重大研究进展

近日,华南师范大学华南先进光电子研究院青年英才商超群博士在钠离子电池负极材料领域取得重大研究进展,在国际权威期刊《Advanced Science》(SCI影响因子15.84)上发表题为《Promoting Ge Alloying Reaction via Heterostructure Engineering for High efficient and Ultra-stable Sodium-ion Storage》(DOI: 10.1002/advs.202002358)的研究论文。商超群博士为论文第一作者,王新副教授以及加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士陈忠伟教授为共同通讯作者,我校为第一完成单位。

  

  随着锂离子电池在电动汽车领域的广泛应用,对锂资源的需求量大大增加,而锂元素在地壳中的丰富仅为17 ppm,且目前仍无有效的锂资源回收技术,无法满足大规模储能和电动车领域日益发展的需要。因此,从能源的可持续发展和利用的角度出发,寻求低成本、高安全性能以及长循环稳定的二次电池体系十分必要。钠元素在地壳中的丰富为23600 ppm,远高于锂元素,且分布广泛、成本低廉。同时钠和锂同属于IA主族,在电化学充放电过程中原理相似。因此,开发高性能和低成本的钠离子电池技术,有望应用于大规模储能以及电动车等领域。相较于锂离子,钠离子具有较大的离子半径导致材料的储钠反应动力学缓慢和较大的体积膨胀,从而限制了相应钠离子电池的倍率性能和循环稳定性。

  

  单质锗(Ge)由于与锂的合金化反应,具有较高的理论容量,因此其储锂性能有广泛的研究和报道,但是在储钠过程中由于电化学反应动力学缓慢,其储钠性能并不理想。为实现Ge的储钠电化学行为,工作通过“内外兼施”的手段合成了具有“豆荚”结构的氮掺杂碳包覆Cu3Ge/Ge异质结结构,能够有效提高Ge的储钠反应动力,接近单质Ge的理论容量,同时保持了合金化/去合金化循环过程中的结构稳定性:(I)外在方面,氮掺杂碳包覆“荚”层能够维持一维纳米结构,防止活性成分的聚集,在反应过程中稳定纳米结构;(II)内在方面,“豆”层的Cu3Ge/Ge异质结能够有效提高单质Ge的储钠性能,并结合理论计算证实Cu3Ge的存在可以有效降低钠离子迁移势垒,促进晶体Ge的储钠。该异质结结构的引入对于提高具有高理论容量的合金化反应钠离子电池负极材料如锡(Sn),锑(Sb),铋(Bi)等提供了新思路。

  

  商超群博士于2017年12月加入我校周国富教授研究团队,已以华南师范大学作为第一单位、第一作者或通讯作者在Advanced Science、Small、Journal of Power Sources和Applied Surface Science等期刊发表论文26篇,以上研究成果也反映出近年来高层次人才引进与培育的显著成效。

论文链接:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202002358

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