材料学院低成本纳米新材料储能研究团队取得多项重要研究进展
发布时间：2019-05-06 作者：蔡圳阳 来源： 浏览次数：
随着能源的高效利用和可再生能源开发，迫切需要发展规模储能新技术。钠离子电池和水系锌离子电池因其原材料资源丰富、价格低廉、安全环保等突出优点，被认为是在大规模电化学储能技术领域最具发展潜力的新体系。在国家自然科学基金、中南大学创新驱动计划和中南大学研究生自主探索创新项目的支持下，材料学院低成本纳米新材料储能研究团队在钠离子电池和水系锌离子电池方面开展深入研究取得一系列重要进展。近期，多家国际顶级权威期刊陆续在线发表该团队最新研究成果。
团队设计制备了一种具有本征结构稳定性的嵌钾富氧缺陷K0.8Mn8O16新材料作为水系锌离子电池的正极。K+离子的嵌入抑制了锰的溶解，从本质上稳定了锰基正极。这种材料表现出398 W h kg-1（基于正极质量）的高能量密度和超过1000次的长循环稳定性。研究表明，氧缺陷对K0.8Mn8O16的快速反应动力学和容量提高起到了关键作用。该研究成果发表在自然指数期刊Advanced Functional Materials, (2019，DOI: 10.1002/adfm.201808375)（IF=13.325），博士生方国赵为论文第一作者，周江特聘教授、梁叔全教授为通讯作者。
利用双金属硒化物的协同效应，设计制备了一种新型的具有异质结构的双金属硒化物（CoSe2/ZnSe）。该材料表现出了优异的储钠性能。研究团队采取同步辐射表征和密度泛函理论（DFT）计算分析表明，双金属硒化物的相界处存在界面电荷的重新分布，表现为在界面位置上电子从CoSe2转移到ZnSe上。钠离子吸附能计算证明了ZnSe一侧相界中的电子密度更高，更有利于钠离子的吸附，加快了反应动力学。此外，原位XRD和非原位TEM证明了CoZn-Se存在多步氧化还原反应，有效地缓解了钠离子嵌入时产生的应力。该研究成果发表在自然指数期刊ACS Nano, (2019，DOI: 10.1021/acsnano.9b00816)（IF=13.709）。博士生方国赵、王启晨为论文共同一作，周江特聘教授、雷永鹏特聘教授（粉末冶金国家重点实验室）、梁叔全教授为通讯作者。
通过水热反应法制备了一系列由纳米片组装被氮掺杂碳紧密包覆的Na3V2(PO4)3/C分级微球，作为钠离子电池正极材料，Na3V2(PO4)3/C多孔微球表现出优异的倍率性能和循环稳定性。采用Na3V2(PO4)3/C为正极、SnS/C纤维为负极的钠离子全电池能量密度可达223 W h kg-1。独特的微纳结构设计和氮掺杂碳包覆有效构筑了双连续的电子和离子扩散通道，增加了电极和电解液的接触面积同时增强了结构稳定性。相关研究成果发表于国际能源顶级期刊Nano Energy (2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.066)（IF=13.12）。博士生曹鑫鑫为论文第一作者，潘安强教授、周江特聘教授、梁叔全教授为通讯作者。
团队在原有工作基础上(Energy Environ. Sci., 11 (2018) 3157)进行了进一步深入研究，探究了6种过渡金属离子（Fe2+、Co2+、Ni2+、Mn2+、Zn2+、Cu2+）内嵌五氧化二钒（V2O5）层间用作水系锌离子电池正极。研究发现，符合一定尺寸要求的金属离子可通过水热法实现其在结构中的微量预嵌入。该系列材料在较大的温度范围内（0-50°C）均表现出优异的电化学性能。同时，该工作证明了预嵌入金属离子在结构中的稳定存在，可以克服传统V2O5电极材料自身导电性差、充放电过程中离子扩散缓慢、材料结构不稳定等固有缺陷。该工作在优化V2O5作为水系锌离子电池正极材料中的应用上具有总结性与前瞻性，于近日发表在国际能源顶级期刊Nano Energy (2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.05.005) (IF=13.12)。硕士生杨永强为论文第一作者，周江特聘教授、梁叔全教授为通讯作者。
此外，团队最近对钒酸铵进行层间距调控，并研究其储锌机制 (Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 940)，发现新的储锌机制-锌驱动还原置换反应 (Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 7355；Top 5% most-read Q1, 2019)，发现混合价态的V2O5具有更高的电化学活性、更低的极化程度、更快的离子传输和更好的导电性 (Nano-Micro Letters, 2019, 11, 25)等水系锌离子电池领域的研究成果也相继在国际著名期刊发表。
近年来，该团队在水系锌离子电池领域取得了多项重要研究成果，陆续发表在Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A, Chem. Commun., Nano-Micro Lett., J. Electrochem. Soc.等国际权威杂志上。团队受邀为ACS Energy Letters撰写综述(Recent Advances in Aqueous Zinc-Ion Batteries, ACS Energy Lett., 2018, 3, 2480-2501. (IF: 12.277))，文章发表后连续5个月在期刊的Most Read Articles榜单。
相关论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201808375 (AFM)
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.9b00816 (ACS Nano)
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsenergylett.8b01426 (ACS EL)
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519302617 (Nano Energy)
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519304112 (Nano Energy)