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张明课题组:基于“相分离”多孔碳纳米管的高性能钠离子电池负极

近日,我校物理与微电子科学学院张明副教授课题组与University of Washington的Cuozhong Cao教授课题组合作,在高容量、长寿命的锂/钠离子电池负极相关研究方面取得重要进展,相关成果以“A Phase-Separation Route to Synthesize Porous CNTs with Excellent Stability for Na+ Storage”为题、以封面论文的形式发表在物理/纳米科技领域国际期刊Small上(图1)。博士生陈智为第一作者,湖南大学为第一作者单位。

 

1 论文作为《Small》杂志封面的截图。

核壳结构在最近的研究中越来越受到很大的关注,尤其是在催化,储能方面得到广泛的应用。核壳结构不仅具有较短的离子扩散路径,较大的电极/电解液界面面积和有效的电子传递途径,而且可以有效地缓解在循环过程中纳米颗粒的体积膨胀。同时,可将核壳结构材料的核层刻蚀得到空心的壳层结构。另一方面,锂离子电池对我们的生产生活产生了巨大影响,尤其在消费性电子产品领域,但在高容量、长寿命锂离子电池方面仍存在较大的瓶颈——因为现有锂离子电池负极碳材料的比容量较低(370 mA h/g)。另外,受制于锂矿资源有限,锂离子电池的成本和售价进一步提高的可能性巨大,所以发展资源丰富的钠离子电池迫在眉睫。

 

 

2 [Advanced Materials Interfaces 2017, 4 (3), 1600816]入选热点文章截图。

张明课题组研究发现,在钼酸铵-聚乙烯醇体系中存在相分离现象,利用经典纺丝法合成了MoO2@C核壳复合纤维,发现了其具有优良的储锂性能,相关论文发表在Advanced Materials Interfaces,且入选该杂志2016年12月热点文章(图2)。在此基础上,研究者通过去除MoO2@C核壳复合纤维中MoO2得到了多孔碳纳米管。与传统的碳材料相比,该中空多孔碳纳米管具有的一维结构利于电子的快速传递,它的多孔性利于离子迁移和空穴储钠,这导致其作为钠离子电池负极的容量高达380 mA h/g,且在5 A /g的大电流时1200次循环后的容量仍保持在110 mAh/g(图3),明显优于传统的碳材料,对高容量、高性能、低成本钠离子电池的应用推广具有重要的指导意义。

 

 

3 “相分离”原理值得的中空多孔碳纳米管的图片和钠离子电池负极特性。

论文第一作者陈智为在读博士生(图4,右二),他在相分离原理制备碳基复合材料及其储能应用方面开展了大量工作,相关成果发表在国际期刊Small 2017, 13 (23), 1604045;Advanced Materials Interfaces 2017, 4 (3), 1600816。张明课题组在静电纺丝法复合纤维的储能研究方面开展了大量工作,在Nano Letters, Small, J. Mater. Chem. A, Nanoscale等杂志发表十余篇论文。

 

 

4 部分作者合影。

以上研究得到国家自然科学基金青年项目、湖南大学交叉学科项目等基金资助,在此表示感谢。

原文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201770121/full 

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admi.201600816/full