MVC储能专辑:过渡金属氧(硫)化物电极材料与电化学性能

南开大学陈军课题组

过渡金属氧(硫)化物具有丰富的物理和化学性质,广泛应用于化学能/电能的储存与转化,是锂电池、燃料电池、金属空气电池等多种化学电源的关键材料。过渡金属氧(硫)化物通常价态、组成和结构多变,所涉及的化学反应和构效关系复杂,发展其可控制备方法,揭示物性关联规律,构筑电池器件,实现能量高密度存储与高效转化,一直是化学、材料、能源等学科交叉研究的热点和重点。

南开大学陈军课题组将系列过渡金属氧化物和硫化物电极材料应用于氢、锂、镁等储能体系,研究了相应体系的能量储存与转化规律以及电化学和电池性能,取得如下研究成果:

系统研究了多种3d电子过渡金属氧化物电极材料的电化学性能。考察了Fe、Co、Ni、Mn、V、Ti等金属氧化物及复合氧化物的储锂行为,明确了Fe2O3和Co3O4负极材料的相转换氧化还原反应机制,设计制备了LiCoO2、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4等具有分级微纳结构的脱嵌锂正极材料,证明纳米结构可有效提高氧化物电极电化学反应活性和改善高倍率充放电性能,构建了基于Fe2O3、MnO2、CuV2O6等一维纳米电极材料的高比容量锂电池和锌锰电池。针对金属空气电池应用,对比研究了α-、β-、γ-MnO2等二元锰氧化物以及CaMn2O4、CaMnO3等复合氧化物的氧还原电催化性能,通过热处理引入氧缺陷调变Mn价态,揭示了适量浓度氧缺陷和Mn混合价态可增强催化活性。发展了新方法在室温常压下实现了MxMn3-xO4(M = Mg, Zn, Co) 尖晶石纳米材料的快速可控制备,结合理论计算和实验分析解释了CoxMn3-xO4氧还原和氧析出催化性能的晶相关联特性。

深入研究了系列过渡金属硫属化合物的生长机制与储能规律。通过调变含有金属(Ti、Mo、W)与非金属(S、Se、Te)元素反应物的制备条件,实现了TiS2、TiSe2、TiTe2、MoS2、WS2等硫属化合物纳米/微米材料的可控制备,拓展了该类材料的合成方法,研究了TiS2与MoS2的储氢、储锂、储镁反应特性,揭示了层状金属硫化物的能量储存与结构变化规律,丰富了无机层状类富勒烯材料在能源清洁利用领域的应用。通过优化Mg和MoS2电极结构以及电解液体系,构筑了新型高比能量镁电池。

相关研究结果在Nature Chem.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Nano Lett、Energy Environ. Sci.等SCI收录学术期刊上发表,并受邀在Acc. Chem. Res.、Chem. Soc. Rev.、Coord. Chem. Rev.期刊上对纳米材料电化学与高能化学电源等研究领域进行评述。团队所发表论文被Science、Nature Mater.、Nature Chem.、Nature Nanotechnol.、Chem. Rev.等SCI期刊引用8000余次,单篇最高引用652次。研究成果获得2011年国家自然科学二等奖和2006年天津市自然科学一等奖。

研究团队依托化学国家重点一级学科、先进能源材料化学教育部重点实验室、天津化学化工协同创新中心等学科和实验室平台,获得国家973计划、863计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、教育部长江学者特聘教授基金等经费支持。在前期工作基础上,团队当前正在投入力量,围绕新型过渡金属氧化物和硫化物电极材料,结合原位分析技术和理论计算模拟,深入研究不同尺度下其电荷传输规律和电化学反应机理,开展具有特殊结构的电极材料的设计与制备,研制基于多电子反应的新型廉价、大容量、长循环寿命可充锂/镁电池和金属空气电池。