哈爾濱師范大學&哈爾濱工程大學Nano Energy：構建新型“氣泡納米棒”混合纖維結構實現焦磷酸鹽基柔性電極的高效儲鈉/鋰能力

【本文亮點】

（1）構造 “氣泡納米棒”分級混合纖維結構，為焦磷酸鹽基柔性電極提供快速電子/離子傳輸路徑。

（2）探索形成該結構的“局部燃燒”機制，為新型復合結構的構建提供幫助。?

圖形概要：“氣泡納米棒”分級混合纖維是一種高效的架構，可實現焦磷酸鹽的卓越性能，為制造高性能的鋰/鈉電池用柔性電極提供幫助。

【引言】

隨著智能電子設備、電動汽車及大型電網的快速發展，對高比容量，高安全性和長壽命的電化學存儲技術的需求日益增長。高性能二次電池（鋰離子/鈉離子電池）柔性電極材料的開發受到了人們密切的關注。在眾多的柔性電極結構中，一維納米纖維具有大比表面積和縮短的離子遷移通道，顯示出巨大的優勢。因此，其已經成為構建柔性電極的重要途徑之一。但是，由于電子器件的快速發展，對存儲技術的要求不斷提高。目前，具有單一結構的納米纖維已經不能滿足電子設備對二次電池提出的要求。因此，需要設計高效的新型結構以促進柔性電極的儲能性能。

【成果簡介】近日，哈爾濱師范大學鄧超教授課題組和哈爾濱工程大學張森副教授合作在國際能源類知名期刊Nano energy上發表題為“Bubble-in-Nanorod” Hierarchical Hybrid Fiber: A Highly-Efficient Design for Pyrophosphate-Based Freestanding Cathodes towards Fast Sodium/Lithium Intercalation”的文章。首次設計并構建了一種基于焦磷酸鹽的“氣泡納米棒”分級混合纖維，通過“局部微燃燒”機制，巧妙的將含有焦磷酸鹽納米晶體的中空球體均勻嵌入一維纖維構架中，形成獨特的分層復合結構。通過中空納米“泡”和一維“納米棒”復合結構，提供高效的電子和離子傳輸途徑。同時，分層結構形成了晶體的保護網，從而提高了活性物質的循環穩定性。本文不僅介紹了實現優異的離子插層化學的高效復合結構，而且為制造高性能柔性電極提供了幫助。

【圖文解析】

圖1 “氣泡納米棒”焦磷酸鹽基混合納米纖維的合成示意圖（a~c）及分級結構（d~f）。

?圖2 “氣泡納米棒”結構焦磷酸鐵鈉（a~d）和焦磷酸鐵鋰（e~h）復合纖維的SEM圖。

??圖3 “氣泡納米棒”結構焦磷酸鐵鈉（a~d）和焦磷酸鐵鋰（f~i）復合纖維的TEM圖。

?圖4 基于“局部微燃燒”的焦磷酸鹽基“氣泡納米棒”分級復合纖維的形成機理。?

? ?前軀體在煅燒過程中的結構演變過程：（i）基于PAN/焦磷酸鹽的靜電紡絲纖維; （ii）在較低溫度的焦磷酸鹽局部燃燒所形成的“氣泡”; （iii）在較高溫度PAN分解導致體積收縮; （iv）形成“氣泡納米棒”復合纖維結構。

?圖5（a，b）焦磷酸鐵鈉和（c，d）焦磷酸鐵鋰基復合纖維的（a，c）GITT，QOCP結果和（b，d）離子擴散系數。

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圖6焦磷酸鐵鈉（b，d，f）和參考樣品（a，c，e）樣品的（a，b）C1s，（c，d）O1s和（e，f）Na1s XPS譜圖。參考樣品（g）與混合纖維（h）在空氣中失效機制示意圖。

【?總結與展望】

本文構造了基于焦磷酸鹽的新型“氣泡納米棒”復合纖維結構，作為高效鋰/鈉電池的高性能柔性電極材料。通過將含有焦磷酸鹽納米晶的“氣泡”均勻嵌入一維纖維中，巧妙的構造了“氣泡納米棒”結構。其不僅為電子和離子提供了高速傳輸途徑，而且保護了活性物質，有效改善了焦磷酸鹽基材料的電化學動力學和穩定性，為二次電池提供了高性能柔性電極。進而，首次探索了形成該結構的“局部微燃燒”機制，為設計新型電極結構提供了研究思路。因此，這項基礎工作不僅提展示了構建高性能電極的高效架構，為推動先進鈉/鋰電池的發展提供了新線索。

文獻連接：Bubble-in-Nanorod” Hierarchical Hybrid Fiber: A Highly-Efficient Design for Pyrophosphate-Based Freestanding Cathodes towards Fast Sodium/Lithium Intercalation,Chao Deng, Sen Zhang, Huifeng Wang, Guoming Zhang, 2018,DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.05.008

課題組簡介：

鄧超教授課題組主要開展新型化學電源及相關領域的研究工作，內容涉及新型電極材料、高性能電池研發、電化學機理研究等方向。近年來主持國家自然科學基金、黑龍江省杰出青年科學基金等十余項，目前在Nano Energy, Energy Storage Materials, Journal of Materials Chemistry A, Nanoscale, ACS Applied Materials & Interfaces 等國際知名期刊上發表論文80余篇，H-index 27。獲得黑龍江省科技獎（自然科學類）二等獎、三等獎各一項，撰寫學術著作３部，獲得發明專利7項。本課題組研究生多次獲得國家獎學金、學業獎學金、校友基金等各級獎勵基金。

鄧超教授聯系方式：chaodenghsd@sina.com?

熱忱歡迎優秀本科畢業生加入本課題組！

部分論文列表

1. J. Dong, G. M. Zhang, X. G. Wang, S. Zhang*, C. Deng*, Flexible Crossing-arranged Na2VTi(PO4)3@C Hierarchical Nanofibers as High-Performance Bi-Functional Electrodes for Symmetric Aqueous Rechargeable Sodium Batteries, Journal of Materials Chemistry A, 5(2017)18725-18736.

2. L. L. Ke, J. Dong, B. Lin, T. T. Yu, H. F. Wang, S. Zhang*, C. Deng*, NaV3(PO4)3@C Hierarchical Nanofiber in Highly alignment: Exploring a Novel High-Performance Anode for Aqueous Rechargeable Sodium Batteries, Nanoscale, 9 (2017) 4183-4190.?

3. C. Deng*, S. Zhang*, Novel Sodium Vanadium Pyrophosphate as a Superior High-voltage Cathode for Sodium Ion Battery, Energy Storage Materials, 4(2016)71-78.

4. K. D. Li, Q. F. Li, H. F. Wang, S. Zhang*, C. Deng*, Anchoring Iodine to N-Doped Hollow Carbon Fold-Hemisphere: an efficient strategy towards High-Performance cathode for Rechargeable Lithium-Iodine Batteries, ACS Applied Materials & Interfaces, 9(2017)20508-20518.

本文由第一作者鄧超指導，材料牛編輯Kevin撰寫和整理。歡迎加入材料人編輯部納米材料學術交流群（228686798）！

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