【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院徐立強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)在高性能新型二次電池領(lǐng)域取得系列進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在Angew. Chem., Adv. Funct. Mater.等國(guó)際期刊。相關(guān)成果為多級(jí)儲(chǔ)能材料的可控制備、晶面擇優(yōu)設(shè)計(jì)，電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)調(diào)控和反應(yīng)路徑的定向重構(gòu)提供了新的研究思路，為開發(fā)高能量密度、高能量效率以及長(zhǎng)循環(huán)壽命的新型二次電池提供了重要參考。
 

圖1 碳酸根陰離子重構(gòu)Bi電極電化學(xué)氧化還原路徑機(jī)理研究
 

　　進(jìn)展一：目前，傳統(tǒng)二次電池在陽離子作為電荷補(bǔ)償載體和主導(dǎo)電極電化學(xué)行為的研究上取得了重大進(jìn)展。然而，陰離子在電極反應(yīng)過程中也同樣扮演著重要角色，顯著影響著儲(chǔ)能器件的電化學(xué)性能。徐立強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)受到生活中CO2可以促進(jìn)金屬氧化速率的啟發(fā)下，提出了一種陰離子化學(xué)(以碳酸根陰離子為例)調(diào)控策略，通過重構(gòu)Bi基金屬電極的氧化還原路徑，降低了Bi(0) — Bi(Ⅲ) 的反應(yīng)活化能，提升了堿性Zn||Bi電池的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，同時(shí)激活了其自充電潛能。此外，該陰離子調(diào)控策略還可推廣至Cl-基儲(chǔ)能體系，采用海水作為電解質(zhì)組裝可自充電的海水電池。相關(guān)成果以“Anionic Chemistry Modulation Enabled Environmental Self-Charging Aqueous Zinc Batteries: The Case of Carbonate Ions”為題發(fā)表在國(guó)際期刊Angew. Chem.上?；瘜W(xué)與化工學(xué)院博士研究生渠廣猛、博士后王璐、2021級(jí)本科生趙永正為論文共同第一作者，徐立強(qiáng)教授為通訊作者，山東大學(xué)為第一單位和通訊單位。
 

圖2 雙腔金屬硼化物納米反應(yīng)器設(shè)計(jì)及作用機(jī)制
 

　　進(jìn)展二：鋰硫電池因其高能量密度而成為最有前途的新型二次電池系統(tǒng)之一。催化Li2S的形成轉(zhuǎn)化過程被認(rèn)為是提高鋰硫電池動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵途徑，但鋰硫電池存在復(fù)雜的催化轉(zhuǎn)化體系，如何利用催化劑實(shí)現(xiàn)硫的分級(jí)催化行為至關(guān)重要。該團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新型串聯(lián)的納米反應(yīng)器，通過適當(dāng)調(diào)控前驅(qū)體系統(tǒng)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，改變離子濃度調(diào)控了催化劑的微/鈉結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)鋰硫電池中的分級(jí)催化行為提供了新契機(jī)。相關(guān)成果以“Manipulating Atomic-coupling in Dual-cavity Boride Nanoreactor to Achieve Hierarchical Catalytic Engineering for Sulfur Cathode”為題發(fā)表在國(guó)際期刊Angew. Chem.上?；瘜W(xué)與化工學(xué)院博士后王斌為論文第一作者，徐立強(qiáng)教授為唯一通訊作者，山東大學(xué)為第一單位和通訊單位。
 

圖3 BCO/FOB-50復(fù)合材料形成機(jī)制及長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性
 

　　進(jìn)展三：納米材料的物相結(jié)構(gòu)調(diào)控已成為材料化學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，其中與材料晶面取向生長(zhǎng)相關(guān)的應(yīng)用得到越來越多的關(guān)注?，F(xiàn)有的關(guān)于材料晶面取向生長(zhǎng)的策略主要局限于金屬單質(zhì)材料或二元化合物材料，研究調(diào)控由多元素組成的化合物材料的晶面取向生長(zhǎng)對(duì)于滿足多樣化應(yīng)用需求具有突出的科學(xué)意義和發(fā)展?jié)摿?。該團(tuán)隊(duì)基于α-Fe2O3與(BiO)2CO3(BCO)的特定晶面適配，調(diào)控BCO中{010}晶面組的取向生長(zhǎng)，構(gòu)筑了無定型氧化鐵與結(jié)晶相BCO復(fù)合的納米顆粒結(jié)構(gòu)(FOB-50)，實(shí)現(xiàn)了BCO結(jié)晶相中{010}晶面組取向生長(zhǎng)且(040)晶面占據(jù)主導(dǎo)，并可普適性地與還原氧化石墨烯等材料均勻復(fù)合?；贔OB-50的電極由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其在鉀離子電池中展現(xiàn)出了出色的長(zhǎng)穩(wěn)定循環(huán)性能。該工作豐富了鉍基納米材料晶面生長(zhǎng)調(diào)控的方法學(xué)，為堿金屬電池電極材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新思路。相關(guān)成果以“Controllable growth of crystal facets enables superb cycling stability of anode material for potassium ion batteries”為題發(fā)表于材料領(lǐng)域國(guó)際期刊Adv. Funct. Mater.上。博士后王璐為論文第一作者，徐立強(qiáng)教授為唯一通訊作者，山東大學(xué)為第一單位和通訊單位。
 

圖4 鈉離子電池負(fù)極材料充放電機(jī)理探索
 

　　進(jìn)展四：過渡金屬硒化物(TMSes)因其較高的理論放電比容量而被認(rèn)為是鈉離子電池(SIBs)負(fù)極的理想候選材料。該研究團(tuán)隊(duì)利用簡(jiǎn)便的溶劑熱法結(jié)合硒化和碳化的策略設(shè)計(jì)了一種 CoSe/MoSe2 異質(zhì)結(jié)構(gòu)與均質(zhì)碳的復(fù)合材料構(gòu)建了超穩(wěn)定的鈉離子電池。動(dòng)力學(xué)分析和理論計(jì)算證實(shí)，異質(zhì)表面工程誘導(dǎo)的內(nèi)置電場(chǎng)效應(yīng)可以放大 Na+ 擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，而碳的加入有助于增強(qiáng)導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該工作為利用工程異質(zhì)結(jié)構(gòu)和引入均質(zhì)碳來設(shè)計(jì)鈉離子電池的高效負(fù)極提供了一種前瞻性方法。該成果以“Heterostructure Interface Construction of Cobalt/Molybdenum Selenides toward Ultra-Stable Sodium-Ion Half/Full Batteries”為題發(fā)表在國(guó)際期刊Adv. Funct. Mater.上。徐立強(qiáng)教授為共同通訊作者，山東大學(xué)為共同通訊單位。
 

　　上述研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃、山東大學(xué)杰出中青年學(xué)者基金等項(xiàng)目的資助和支持。山東大學(xué)結(jié)構(gòu)成分與物性測(cè)量平臺(tái)為材料結(jié)構(gòu)解析提供了重要支持。