《美国化学会纳米》发表杨建平研究员课题组在
钾离子电池负极材料的最新研究进展

发布时间:2019-08-03发布部门:材料科学与工程学院

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近日,我校材料科学与工程学院杨建平特聘研究员课题组在新型二维纳米材料作为能源存储负极材料方向取得重要进展,相关成果以“以空心碳球为模板的少层八硫化五钒纳米片在快速钾离子存储和长循环中的应用(HollowCarbon-Templated Few-Layered V5S8 Nanosheets EnablingUltra-Fast Potassium Storage and Long-Term Cycling)”为题发表在国际著名期刊《美国化学会纳米》(ACS Nano)上。该论文第一作者为材料学院李丽博士,通讯作者为我校材料学院杨建平研究员和澳大利亚伍伦贡大学郭再萍教授。

目前,层状过渡金属硫化物材料由于其独特的层状结构而引起的半导体性、半金属磁性、超导电性等特性,在二次电池电极材料的应用中受到广泛关注。层状过渡金属硫化物材料通常通过堆叠单层的过渡金属硫化物材料构成体材料。层内是化学键相连接,层间由较弱的范德华力连接,可以沿着层间方向将层剥离得到少层甚至单层的过渡金属硫化物。当块状材料的尺寸变成纳米级的,低维材料表面的缺陷如边缘、角落将对材料的性能起主导作用,低维的过渡金属硫化物层状材料由于其具有低维性和量子尺寸效应因而具有优异的电子和物理性能。单层的钒基硫化物(V5S8)具有金属性,因此具有较高电子电导率,有利于提高电池的倍率特性;除此之外,较大的层间距(11.32 Å)非常有利于钾离子的迁移,因此,钒基硫化物是非常有潜力的钾离子电池电极材料之一。

(ACS Nano报道杨建平研究员课题组最新成果)

杨建平研究员团队利用空心碳球为模板和载体,采用溶剂热法和高温相转变制备了负载在空心碳球上的少层八硫化五钒纳米薄片。相较于传统的化学剥离法,本制备方法过程简单、样品产率较高。研究者采用X射线衍射光谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等多种表征技术对该样品的成分、形貌和结构进行了表征,结果显示负载在碳球上的八硫化五钒厚度约5 nm,层数为5-8层。电化学性能测试表明八硫化五钒纳米薄片作为钾离子电池负极材料在500 mA/g的电流密度,循环500圈后,容量仍保持在360mAh/g。除此之外,研究者还结合理论计算和同步辐射粉末衍射等先进表征技术系统研究了八硫化五钒在钾离子电池中的离子与电子传输机理,研究电极材料在充放电过程中结构变化,总结了材料在钾离子电池中的充放电机理。

该工作不仅在实验方面系统研究了二维纳米薄膜材料的制备与其在二次电池中应用,而且将材料的应用性与机理性研究相结合,进一步以理论计算与机理分析研究了钾离子在电极材料中的传输机质以及电极材料的结构和组分的变化,这些研究成果为钾离子电池优化电极材料及其他相关研究提供理论依据。

(V5S8@C电镜图与循环性能图)

该研究工作得到东华大学高层次人才项目专项资金,国家自然科学基金,上海市自然科学基金等基金,以及纤维材料改性国家重点实验室,先进纤维与低维材料国际联合实验室,澳大利亚伍伦贡大学超导与电子材料研究所等机构的支持。

全文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b02384

课题组网站链接:https://www.x-mol.com/groups/Yang


视频:   摄影: 撰写:杨建平  信息员:星禧  编辑:向娟

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