Advanced Materials：北航學者研發新型鈉離子負極材料，高倍率下循環1000次無明顯衰減

【引語】近年來，鑒于鋰離子電池（LIBs）在大型儲能設備的運用上表現出成本高且資源供應緊等問題，鈉離子電池攜其低成本、儲量豐富以及環保的優點之下大有取代鋰離子電池之意。近日，北京航空航天大學材料科學與工程學院材料物理與化學系的畢曉昉教授和楊樹斌教授在Advanced Materials上發文，題為“Partially Single-Crystalline Mesoporous Nb2O5 Nanosheets in between Graphene for Ultrafast Sodium Storage”。

此次研究的最大亮點在于：該研究小組通過簡單的納米鑄造方法在石墨烯層中拓展合成具有正交結構的單晶納米介孔Nb₂O₅（G- Nb₂O₅）。在充放電過程中，這一特殊結構不僅給予了Na⁺更多開放且短的擴散路徑，還有利于電子傳導，自然該材料也表現出了優異的高倍率性能及循環容量。

成果簡介：

由于鈉離子電池（SIBs）中Na+的半徑大于Li+，這導致SIBs在Na+的脫嵌過程中產生巨大容量衰減和不可逆相變。為了解決這個問題，尋找到能夠提供更多有效擴散路徑的材料就變得尤為重要。該研究小組通過簡單的納米鑄造方法在石墨烯層中拓展合成具有正交結構的單晶納米介孔Nb₂O₅（G- Nb₂O₅）。該材料在0.25C倍率下表現出230 mAh g?1的高循環容量，以及在20C倍率下也表現出100 mAh g?1的優異的高倍率性能（循環1000次不發生明顯衰減）。可以說，這是一種極有前景的SIBs負極材料。

圖文導讀：

圖1：合成G- Nb2O5材料的三大步驟

（1）將NbCl5浸漬到G-silica模板的介孔中。

（2）水蒸氣處理所制備的樣品，目的為了是NbCl5水解。

（3）Nb2O5在600℃的氮氣氣氛下結晶，同時用2M的NaOH水溶液去除二氧化硅。

圖2：G- Nb2O5材料的形貌表征

（a，b）不同放大倍率下，具有代表性的G-Nb2O5 納米片掃描電鏡（SEM）圖像。

（c，d）分別為G-Nb2O5納米片截面（sectional view）的透射電鏡（TEM）和高分辨率的透射電鏡（HRTEM）圖像。

（e）G-Nb2O5納米片頂視圖（top view）的高分辨率的透射電鏡（HRTEM）圖像。

（f）G-Nb2O5納米片的選區電子衍射圖樣，揭示了G-Nb2O5的部分單晶特征。

（g-j）分別為G-Nb2O5以及相應元素鈮（h）、氧（i）、碳（j）的掃描透射電子顯微鏡的明場像。

說明：明暗場成像原理——晶體薄膜樣品明暗場像的襯度(即不同區域的亮暗差別)，是由于樣品相應的不同部位結構或取向的差別導致衍射強度的差異而形成的，因此稱其為衍射襯度，以衍射襯度機制為主而形成的圖像稱為衍襯像。如果只允許透射束通過物鏡光欄成像，稱其為明場像；如果只允許某支衍射束通過物鏡光欄成像，則稱為暗場像。

圖3：氮吸附/解吸等溫線及XRD圖像

（a）氮吸附/解吸等溫線（插圖：孔徑分布）證實G-Nb2O5 和Nb2O5納米片的介孔結構，BET吸附比表面積分別為158 m2 g?1 和 70 m2 g?1。

（b）G-Nb2O5 和Nb2O5納米片的XRD圖像。

（c，d）分別為G-Nb2O5 和Nb2O5納米片中Nb3d以及O1s的X射線光電子能譜圖。

圖4：G-Nb2O5納米片的電化學性能表征

（a）0.25C倍率下，G-Nb2O5納米片前兩次充放電的電壓-容量示意圖。

（b）0.25C倍率下，G-Nb2O5納米片、Nb2O5納米片、Nb2O5商業粉末、混合G/Nb2O5納米片的循環性能。

（c）G-Nb2O5分別在0.25、0.5、1、4、10、20 C倍率下的充放電曲線。

（d）G-Nb2O5納米片、Nb2O5納米片、Nb2O5商業粉末、混合G/Nb2O5納米片0.25C、0.5C、1C、4C、10C、20 C下的倍率性能。

（e，f）分別為G-Nb2O5納米片在1C和20C倍率下的長周期循環行為。

圖5：電化學工作站測試結果

（a）G-Nb2O5 和 Nb2O5納米片的交流阻抗圖。

（b）由Z′與ω?1/2的線性擬合線而得的Warburg阻抗擬合系數(σw)。

（c）掃描速率分別從0.1 到100 mV s?1的循環伏安曲線。

（e）表示負極峰值（紅圈）與b值（黑線）關系的log(i)與log(v)函數關系圖（其中b值由i = av的b次方的關系確定），當b值為0.97和0.48時，掃描速率分別為10 mV s?1以及大于10 mV s?1。

更正聲明：在材料人微信（icailaioren）以及材料牛原網頁最先發布的文章中，錯將徐惠彬校長列為作者，給三位老師和相關工作人員帶來困擾，材料人網深表歉意。

具體原因是由于編輯為了翻譯準確，百度兩位老師名字時，由于徐校長百度曝光率極高，小編被百度強行“安利”，思維短暫混亂，結果寫錯一個。。。

現將文章的兩位通訊作者簡要介紹如下：

畢曉昉：博士，北京航空航天大學教授。1983年畢業于北京科技大學，1990年獲日本東京工業大學博士學位。主要從事納米薄膜生長機理與物性、以及軟磁合金與磁性能等研究，曾獲教育部“新世紀優秀人才培養計劃”資助。在相關研究領域發表SCI收錄論文60余篇，獲國家發明專利10余項。

研究方向：氧化物納米薄膜生長機理、電輸運特性、磁電耦合作用以及光學特性；Fe-6.5%Si取向合金制備及微觀結構與磁性能。

楊樹斌：教授，中組部“青年千人計劃”入選者，北航“卓越百人”計劃入選者。2008年畢業于北京化工大學材料科學與工程學院，獲工學博士學位；2008.7-2014.2年先后在德國馬普聚合物研究所和美國萊斯大學從事博士后研究工作。近5年，以第一作者或通訊作者的科研成果發表在諸多國際權威期刊上，如Acc. Chem. Res.（1篇）, Angew. Chem. Int. Ed. （3篇）, Adv. Mater.（6篇）, Nano Lett.（2篇）, Sci. Rep.（1篇）, Adv. Funct. Mater.（2篇）和Small（1篇）等共28余篇。外加共同作者的論文Nature Commun. （2篇）, Adv. Mater.（4篇）和J. Am. Chem. Soc. 等近50篇。這些論文短期內被材料化學領域同行大量引用（4000余次），H因子29。應邀承擔多個國際知名雜志如Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Carbon, Electrochem. Commun., Chemistry等的審稿人。

研究方向：新能源(鋰離子電池，鋰-空電池，鋰-硫電池)電極材料；燃料電池非貴金屬催化劑；新型炭材料；低維度納米材料的制備、性質及應用

兩位教授信息來源于北航材料學院官網。

文獻鏈接：Partially Single-Crystalline Mesoporous Nb2O5 Nanosheetsin between Graphene for Ultrafast Sodium Storage

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