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张明课题组在类“电线管”结构二氧化钛-锡@碳纤维的高容量锂/钠离子电池负极研究取得重要进展

 

近日,我院张明副教授课题组与University of MarylandChunshengWang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“Pipe-Wire TiO2Sn@Carbon Nanofibers Paper Anodes for Lithium and Sodium Ion Batteries”为题发表在物理/纳米科技领域顶级期刊Nano Letters(影响因子13.7)上(如图1所示,DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01152)。博士生毛明磊、硕士生闫飞龙为该论文并列第一作者,我校为第一作者单位。

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图1    论文在“Nano Letters”在线发表的截图


  
  锂离子电池对我们的生产生活尤其在消费性电子产品领域具有巨大影响,现有锂离子电池负极碳材料的比容量较低(370 mA h/g),是高容量、长寿命锂离子电池方面存在的较大瓶颈。由于锂矿资源有限,锂离子电池的成本和售价进一步提高的可能性大,发展资源丰富的钠离子电池迫在眉睫。锡基负极材料由于具有很高的理论储锂(993 mA h/g)储钠容量、较低的电压平台和较大的压实密度而得到广泛的研究,它是最具应用潜力的锂/钠离子电池负极材料之一。然而,锡基负极材料在充放电过程中巨大的体积效应导致电极材料破碎粉化脱落,导致其容量衰减迅速,极大限制了其商业化应用。

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2    合成电线管结构二氧化钛-@碳纤维示意图


  
 张明课题组在氧化锡-石墨烯柔性纤维毡负极(Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3 (24), 12672-12679,作者为本文并列第一作者——闫飞龙)的基础上,从电线管结构——既能导电也具有很好的绝缘保护作用——得到启发,设计了具有电线管结构的二氧化钛-@碳纤维,利用静电纺丝和原子层沉积技术制得了容量显著高于传统碳材料、未经修饰锡材料的储锂/钠负极(如图2所示)。与传统的纳米化、碳层包覆、石墨烯改性等锡基材料相比,该复合纤维中碳纤维将锡包覆并固定,有效避免了锡颗粒的脱落,保障电化学反应所需电子传导速率;二氧化钛壳层将锡与电解液隔离,为锡颗粒的膨胀提供空间,且极大地避免了锡颗粒因体积效应而粉碎、脱落,从而使该材料在储锂/钠容量很高的同时具有优异的循环寿命(如图3所示)。

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3    “电线管结构二氧化钛-@碳纤维的TEM图片和储钠比容量及稳定性


  
    论文第一作者毛明磊在储能材料和器件方面开展了大量工作,相关成果发表在国际著名期刊Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 13384-13389 (被引用21篇次)Nanoscale,  2014,  6,  12350-12353 (被引用35篇次)RSC Advances,  2014,  4 (23),  12050-12056 (被引用22篇次),现受国家留学基金委资助在University of Maryland联合培养。

  
    
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。

 
   
原文链接: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b01152