齊魯工業大學閆理停/趙學波，昆士蘭大學王連洲：利用MOF自組裝制備應力分散的超結構Sn3(PO4)2@PC電池負極材料

kongxy 3個月前 (05-24) 812瀏覽

背景介紹

鉀/鈉的天然豐度高、分布均勻，鉀離子電池和鈉離子電池技術可以滿足人類對清潔和可持續能源日益增長的需求。然而，與鋰離子電池相比，鉀/鈉離子電池的反應動力學更加緩慢，負極體積膨脹嚴重。尤其是合金轉化型負極材料（如錫基負極材料）具有低成本和高理論容量，但在充放電循環過程中的大體積膨脹會導致材料開裂粉碎，甚至從集流體上脫落，嚴重損害了其循環穩定性，阻礙了應用。因此，迫切需要尋求新的方法來改進鉀/鈉離子電池負極的循環穩定性。負極材料的結構對其穩定性影響顯著，降低電極材料顆粒尺寸有利于緩解體積膨脹時的破碎，提高電極材料的尺寸有利于保持整體結構的穩定性并減少電池充放電過程中的副反應。理想的電極材料應具有足夠小的尺寸，并且顆粒應緊密結合以保證電極整體結構的穩定。但由于二者之間的矛盾性，很難同時滿足。

主要內容

為了解決上述問題，齊魯工業大學（山東省科學院）材料科學與工程學部趙學波教授/閆理停副教授團隊與昆士蘭大學王連洲教授團隊合作，在《Advanced Science》上發表題為“Stress-Dispersed Superstructure of Sn3(PO4)2@PC Derived from Programmable Assembly of Metal–Organic Framework as Long-Life Potassium/Sodium-Ion Batteries Anodes”的研究論文，基于MOF晶體生長過程中顆粒附著晶化（Crystallization by Particle Attachment，CPA）機制，利用MOF的自組裝超結構作為模板，開發出應力分散的超結構Sn3(PO4)2@PC作為長壽命的鉀/鈉離子電池負極材料。

首先采用金屬有機框架（MOF）晶體粒子作為構建超結構的體構建單元，通過煅燒超結構的MOF前驅體，制備衍生的Sn3(PO4)2@PC超結構。這樣的結構提供了高的比容量和超長的循環穩定性（鉀電中5 A g-1電流密度下比容量為144.0 mAh g-1，10000次循環后容量保持率為90.1%；鈉電中5 A g-1電流密度下比容量為202.5 mAh g-1，8000次循環后容量保持率為96.0%）。同時作者采用原位xrd和原位拉曼，對Sn3(PO4)2@PC在鉀離子電池充放電過程中的機理進行了研究。首次證實了Sn3(PO4)2@PC的儲鉀機理是典型的兩步反應，即轉化反應和合金化反應。

DFT計算和有限元計算表明，在該材料中，PO43-陰離子有利于提升鉀離子的吸附和轉移動力學，超結構形貌有利于Sn3(PO4)2@PC在體積膨脹后的應力分散，減小充電后材料的應力，緩解了體積膨脹造成的電極材料的粉碎、開裂甚至從集流體上脫落，有效提升其在充放電循環中的穩定性。這項工作采用超結構解決了平衡電池電極材料的納米化和完整性的難題，并且提供了有效的合成方法，為高性能鉀/鈉電池的開發提供了新的思路。

圖1 超結構Sn3(PO4)2@PC制備示意圖和鉀/鈉離子電池性能

圖2 儲鉀機理的原位表征結果以及DFT模擬計算結果

圖3 鉀在不同化合物上的結合能、儲鉀后Sn3(PO4)2@PC的體積變化以及應力的有限元模擬結果

文章信息

Huimin Jiang1, Shuo Zhang1, Liting Yan*, Yanlong Xing, Zhichao Zhang, Qiuju Zheng, Jianxing Shen, Xuebo Zhao*, Lianzhou Wang*, Stress-Dispersed Superstructure of Sn3(PO4)2@PC Derived from Programmable Assembly of Metal-organic Framework as Long-life Potassium/Sodium-Ion Batteries Anodes. Advanced Science, 2023, 10: 202206587.

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202206587

本文由作者供稿

?

通訊作者介紹

?

閆理停

閆理停，齊魯工業大學（山東省科學院）副教授，山東省高等學校青年創新團隊發展計劃團隊負責人。主要從事能源新材料的研究，包括金屬有機框架材料及其衍生催化材料的功能化設計、合成，及其在能源存儲與轉換方面的研究。近年來，以第一/通訊作者在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Science、Nano-Micro Letters、Small等國際知名期刊發表論文20余篇，其中ESI熱點論文（1‰）一篇，ESI高被引論文（1%）兩篇，單篇最高引用570余次，主持/參與國家及省部級研究課題十余項，授權國家發明專利6項。

?

趙學波

趙學波，齊魯工業大學（山東省科學院）教授，博士研究生導師，氫電能源材料創新團隊負責人。中國科學院“百人計劃”獲得者，山東省“泰山學者”特聘專家，山東省氫能源與燃料電池產業聯盟專家，中國能源學會專家委員會新能源組副主任專家委員。在國際著名學術期刊Science、Nature-Chemistry、Nature-Communications、JACS、Angew、Advanced Materials、Advanced Functional Materials等學術期刊上發表100余篇SCI收錄的研究論文，授權國際/國內發明專利二十余項。主持國家自然科學基金、山東省“泰山學者”資助項目、中國科學院知識創新工程重要方向項目等國家級及省部級科研項目十余項。2016、2017連續兩年入選英國皇家化學會Top 1% 高被引中國作者榜單，2021、2022連續兩年入選愛思唯爾“中國高被引學者”榜單。

?

王連洲

王連洲，歐洲科學院院士，澳大利亞桂冠教授（ARC Laureate Fellow），現為澳大利亞昆士蘭大學化工學院終身教授、昆士蘭大學納米材料研究中心主任、澳大利亞生物與納米技術研究所高級課題組長。主要從事半導體納米材料合成及其在清潔能源轉換和存儲領域的應用研究, 包括光催化材料，新一代太陽能電池，及新型充電電池等，其研究團隊近期創造了新型量子點太陽能電池認證轉換效率的世界記錄。在國際期刊包括Science, Nature Energy，Adv. Mater, Nature Commun, Angew. Chem, J. Am. Chem. Soc. 等發表論文450余篇，被引用超過37000次, H因子為106。先后擔任Science Bulletin副主編及顧問編委，Adv. Mater等多個國際期刊顧問編委，入選科睿唯安全球高被引作者和英國皇家化學會會士。2019年獲得澳洲基金委學術領域的最高頭銜-澳洲桂冠教授稱號。其他社會兼職包括澳洲全國材料科學委員會執行副主席等。

分享到