基于碘量子点的新型碘-钠电池

电化学储能器件在人们的日常生活中扮演着重要的角色。研发具有高容量、高稳定性以及低廉生产成本的电化学储能器件显得尤为重要。碘作为新型的电池正极材料,具有较高的理论容量(211 mAh/g),同时海藻、海带等植物均可选择性吸收和富集海水中的碘,使得基于碘的碘锂电池受到了广泛关注与研究。钠离子电池是一种新型的廉价、环保二次电池。然而,碘在钠离子电池电解液中极易溶解,阻碍了碘钠电池的研发。针对高性能碘钠电池的研发,电极材料的设计和制备是至关重要的步骤。由于碘正极在冲放电过程中会逐渐溶解到电解液中,导致电极活性物质脱落。进一步溶解的碘倾向于沉积在电池负极表面,形成绝缘层,阻碍电子、离子传输和进一步的电化学反应,从而导致其循环性能受到了严重的制约。

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近期,湖南大学鲁兵安教授研究团队通过大量的理论计算证明了碘是一种潜在的钠电池正极材料。针对碘在电解液中极易溶解的问题,该研究团队用浓度梯度法和真空抽滤结合的方法制备了新型碘量子点石墨烯复合柔性材料(碘量子点原位生长在还原氧化石墨烯中)。将碘以量子点的形式与还原氧化石墨烯结合制备柔性电极可以显著提高电极的导电性,同时利用还原氧化石墨烯大的比表面积以及还原氧化石墨烯上的含氧官能团有效地抑制了碘溶解,克服了碘钠电池活性材料流失、容量衰减、循环性能变差等问题。该研究团队实验表明,当电流密度为100 mAh/g,碘钠电池的容量达到了171 mAh/g,经过500次的循环充放电后容量未出现衰减。为了验证碘钠电池的微观充放电机制,该研究团队通过对电池结构进行改装,利用原位拉曼和原位电镜表征了充放电过程中电解液成分及碘量子晶体结构的变化。同时通过对碘钠电池的正/负极匹配及优化制备出基于碘量子点还原氧化石墨烯复合材料与钠化纳米碳纤维薄膜的碘钠全电池。研发的新型碘钠全电池具有容量高、稳定性好等优点,是一种潜在的低成本的动力电池。这是首次研制出基于碘的钠离子电池。

此外,该研究团队所采用的新合成方法不仅操作步骤简单,而且具有原料成本低廉和易于大规模制备等特点,为今后功能化量子点纳米材料的设计和制备提供了新的途径。相关论文发表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201601885)上。

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