Advanced Functional Materials:锚定在有序介孔碳上的Fe2VO4纳米颗粒实现高赝电容高效钠离子存储

与传统储能体系相比,钠离子电池具有成本低廉、原料易得、环境友好、安全可靠的优势,更适合应用于大规模能源存储。然而,由于较大的离子半径在一定程度上限制了钠离子电池的发展,目前研究的钠离子电池负极材料主要受限于比容量低、倍率性能差以及循环稳定性差。因此,开发具有良好电化学性能的钠离子电池负极材料非常重要。

近期北京理工大学陈人杰教授和谢嫚副教授的钠离子电池课题组提出通过水热和后续煅烧的方法合成锚定在有序介孔碳CMK-3上的Fe2VO4纳米颗粒Fe2VO4@CMK-3复合物材料。该复合材料用于钠离子电池负极材料表现出良好的循环稳定性和倍率性能。相关论文在线发表在)上。

与单金属氧化物相比,双金属氧化物在碱金属离子存储中表现出更高的电子/离子导电性和电化学活性。其中Fe2VO4具有原材料丰富、高的理论比容量等优点,在钠离子负极材料中得到广泛关注。然而,Fe2VO4颗粒很容易团聚,在循环过程中结构破坏严重,最终导致容量迅速衰减。基于此问题,采用水热和后续煅烧的方法制备了Fe2VO4@CMK-3复合材料。该材料集成了多重优势:有序介孔结构的CMK-3作为碳支架,显著提高导电性;散落在CMK-3表面的Fe2VO4暴露出更多的活性位点;纳米复合结构在循环过程中提供充足的体积膨胀缓冲空间。因此,应用于钠离子电池负极材料时,Fe2VO4@CMK-3复合物实现了稳定的循环性能。同时,Fe2VO4@CMK-3复合材料表现出高的赝电容贡献率(扫速为1.0 mV s−1,电容贡献为89.1%),促进了高倍率性能的实现。另外,与NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正极材料匹配,制备的NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2//Fe2VO4@CMK-3全电池表现出稳定的循环性能:在0.5 A g−1条件下循环500圈容量保持率为81%。该研究为钠离子电池负极材料的研究以及纳米复合结构材料的构建提供了一种新思路。

在吴锋院士的指导下和国家重点研发计划项目(高安全、长寿命和低成本钠基储能电池的基础科学问题研究,2016YFB0901500)的支持下,钠离子电池课题组在钠离子电池关键材料领域开展了系统的研究工作。在正极材料方面:通过优化合成工艺、结构设计调控、精确离子交换等方法合成了多种不同形貌、高品质普鲁士蓝正极(ACS Appl. Mater. Interfaces, https://doi.org/10.1021/acsami.6b04151; Nano Energy, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.07.005; ACS Appl. Mater. Interfaces, https://doi.org/10.1021/acsami.6b10884; Small, https://doi.org/10.1002/smll.201801246; J Power Sources, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.226868),以及锰基P2相材料(Electrochim. Acta, https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.137614)。在负极材料方面:采用结构调控手段(Energy Storage Mater., https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.10.004; Nano Energy, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.058Energy Storage Mater., https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.02.015)、异质结构设计(Adv. Sci., https://doi.org/10.1002/advs.201800613J Mater Chem A, https://doi.org/10.1039/C8TA11419F)和动力学优化(Nano Energy, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.09.010Adv. Mater. https://doi.org/10.1002/adma.202003534; ACS Appl. Mater. Interfaces, https://doi.org/10.1021/acsami.0c04481)等多种设计方法合成了反应速率快、界面稳定、体积膨胀小的负极材料。在电解质材料方面:通过引入离子液体合成了聚合物凝胶电解质(ChemElectroChemhttps://doi.org/10.1002/celc.201900101)并系统的论述了电解质以及电极/电解质界面的研究进展(Adv. Mater., https://doi.org/10.1002/adma.201808393)。基于上述研究成果,已经出版《钠离子电池先进技术及应用》(谢嫚等著,电子工业出版社,2020,书号:ISBN 978-7-121-39913-8)。团队多次参加大学生材料创新大赛、世纪杯、挑战杯以及中国互联网+创新创业大赛等比赛,并获得优异成绩。

作者简介:

谢嫚,副教授,主要从事新能源技术和绿色二次电池的开发与应用研究。重点研究方向为锂离子电池、钠离子电池、水系电池新体系的开发及关键材料的研究。目前作为项目负责人承担国家重点研发计划项目“高安全、长寿命、低成本钠基储能电池的基础科学问题研究”1项,作为骨干研究成员参与国家“973”计划项目、国家“863”计划项目等重大研究项目多项。获省部级科学技术一等奖1项。在Advanced Science, Nano Energy, Small等国际期刊上累计发表学术论文40余篇,出版学术专著1部。获授权国家发明专利近10项。曾入选北京市、镇江市科技人才创业计划,获得政府资金和政策支持。作为指导教师带领学生参加科技创新、创业大赛,获国家金奖1项、北京市优秀创业团队一等奖等多项省部级奖项。

陈人杰,教授、博导,国家部委能源专业组委员、中国材料研究学会理事(能源转换与存储材料分会秘书长)、中国固态离子学会理事、国际电化学能源科学院(IAOEES)理事、中国化工学会化工新材料专业委员会委员、中国电池工业协会全国电池行业专家。主要从事多电子高比能二次电池新体系及关键材料、新型离子液体及功能复合电解质材料、特种电源用新型薄膜材料与结构器件、绿色二次电池资源化再生等方面的教学和科研工作。主持承担了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、“863”计划项目、中央在京高校重大成果转化项目、北京市科技计划项目等课题。在Chemical ReviewsChemical Society ReviewsNational Science ReviewsAdvanced MaterialsNature CommunicationsAngewandte Chemie-International EditionAdvanced Functional MaterialsEnergy Storage Materials等期刊发表SCI论文200余篇;申请发明专利95项,获授权42项;获批软件著作权10项,学术专著2部(《先进电池功能电解质材料》,科学出版社,2020年,书号:ISBN 978-7-03-060719-5;《多电子高比能锂硫二次电池》,科学出版社,2020年,书号:ISBN 978-7-03-060718-8)。获得国家技术发明二等奖1项、部级科学技术一等奖4项。入选教育部长江学者特聘教授、北京高等学校卓越青年科学家、中国工程前沿杰出青年学者、英国皇家化学学会会士、科睿唯安2020“全球高被引科学家”。

论文信息:

Fe2VO4 Nanoparticles Anchored on Ordered Mesoporous Carbon with Pseudocapacitive Behaviors for Efficient Sodium Storage

Ying Jiang, Feng Wu, Zhengqing Ye, Cheng Li, Yixin Zhang, Li Li, Man Xie, Renjie Chen

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202009756