Advanced Materials:晶相调控超导FeSe构建高体积比容量无碳电极

众所周知,二次电池是涉及离子和电子协同传输的复杂过程。一种性能优异的电极材料应兼具高的离子和电子导电率。然而,目前报道的电极材料多为半导体,电子电导率低,这在很大程度上限制了电池的快充能力。当前普遍的优化策略是在材料合成过程中引入碳复合材料,或在电极制备过程中添加大量导电助剂,以构建电子传输网络。虽然上述两种方法起到了一定的效果,但是,碳材料本身振实密度低的问题严重降低了电极的体积能量密度,限制了二次电池在对体积有严格限制的高精尖领域的应用。

近日,吉林大学杜菲教授课题组在前期铁基高温超导体研究的基础上,提出通过晶相调制策略设计具有高本征电子导电性的新型负极活性材料思想,构建了无需导电助剂的新型电极结构,摆脱了低振实密度碳材料的“桎梏”,有效提升了负极材料体积能量密度低的“短板”,为后续开发高体积能量密度二次电池提供了新思路。

具体来讲,杜菲教授课题组利用超导四方相FeSe材料高室温电子导电率(103 S cm-1)的优点,在电极制备过程中祛除了碳基导电助剂(Super P),构建了仅包含活性物质和粘结剂的新型无碳电极。这一小小的改变大幅度提高了活性材料利用率从80%至96.7%;通过提升电极的振实密度,从而在钠电池中实现了高达1011 mAh cm-3的体积比容量。此外,还得益超导FeSe高度电化学可逆性与可控的电极-电解液副反应,负极材料的首次库仑效率高达96%,这远高于当前报道的转换类负极材料,展现出巨大的应用前景。最后,为验证该策略的普适性,杜菲教授课题组还将该思想拓展到锂离子电池研究中,获得了高达1373 Wh L-1的体积能量密度和7200 W L-1体积功率密度。

论文信息:

Polymorph Engineering for Boosted Volumetric NaIon and LiIon Storage

Lu Zhang, Zhixuan Wei, Shiyu Yao, Yu Gao, Xu Jin, Gang Chen, Zexiang Shen, Fei Du*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202100210.