自定内容

Welcome to the Rufan Zhang Group!

自定内容

欢迎访问张如范教授课题组!  


自定内容
全站搜索
站内搜索:
导航菜单
文章正文
本课题组在《ChemSusChem》发表储钠正极材料研究论文
欢迎访问清华大学张如范教授课题组! Welcome to Rufan Zhang Group!    2019-06-13 15:01:35    文字:【】【】【

近日,清华大学张如范助理教授团队与北京科技大学贾希来副教授团队、北京航空航天大学张千帆教授团队在Wiley旗下著名期刊《化学与可持续性、能源与材料》(ChemSusChem)期刊上合作发表研究论文《基于双层介孔石墨烯的高容量与充放电速度快的电容式钠离子存储(Capacitive sodium ion storage based ondouble‐layered mesoporous graphene with high capacity and charging/dischargingrate)》。



1.png

锂离子电池主导了便携式电子器件和电动汽车等电能存储系统(EES)的市场。然而,随着对大型电能存储系统需求的日益增长,高昂的成本以及锂金属的稀缺日渐成为人们关注的问题。近年来被大量研究的新型电能存储系统中,钠离子电池由于其丰富的储量、低廉的价格以及与锂离子相近的离子插入化学,被认为是锂离子电池的理想替代品。然而,钠离子与锂离子相比半径更大,Na+/Na的氧化还原电位更负,从而导致了钠离子电池的低能量密度、短循环寿命以及惰性的传递动力学。现有的多数钠离子电池电极材料由于缓慢的电子、离子传递速率,在快速充放电时难以维持令人满意的容量。因此,目前主要的挑战在于寻找一种能同时提高储钠容量钠离子传递动力学的电极材料。

利用离子在界面吸附以及界面氧化还原过程中的传递速率远高于体材料中传递速率的性质,本文设计了一种氧氮共掺杂双层介孔石墨烯纳米片正极材料O,N-MGNSs,用于钠离子电池中的高容量储钠与快速离子传递。

2.png

图1. O,N-MGNSs的制备步骤示意图

氧氮共掺杂双层介孔石墨烯纳米片O,N-MGNSs中的双层石墨烯彼此交联形成三维连续框架结构,并具有比石墨更大的层间距,便于钠离子的快速传递。此外,O,N-MGNSs中规整的介孔结构进一步加快了钠离子传递动力学。材料中均匀分布的氧、氮元素也为钠离子的界面吸附与氧化还原反应提供了高效的活性位点。将O,N-MGNSs的三维连续框架结构与力学性能良好的碳纳米管相结合,即可得到稳定、独立支撑的薄膜状电极

3.png

图2.O,N-MGNSs的形貌以及元素分布

4.png

图3.O,N-MGNSs的结构与性质表征

电化学测试结果表明,O,N-MGNSs在1.5-4.2 V间以0.5 A g-1的电流密度(对应于3 C)放电时的可逆容量可达156 mAh g-1,以质量为基准的电容为400 F g-1,可比拟超级电容器和离子电池的碳基电极。O,N-MGNSs在1000次循环后仍保持95%的容量,展现出很高的循环稳定性,。另外,循环伏安曲线显示O,N-MGNSs的双层电荷存储产生了显著的赝电容效应。本工作通过实验证明,掺杂极少的氮(0.5 wt%)可使钠离子与含氮官能团发生表面氧化还原反应,从而产生赝电容效应,为提高储钠容量和加快充放电速率起到了关键作用。

5.png

图4.O,N-MGNSs电极的电化学表征

本工作还通过模型拟合以及模拟计算等手段进一步探究了钠离子表面吸附与反应的机理。模型拟合结果表明,在2-20 mV s-1的扫描速率下,电容容量对总容量的贡献较大。模拟计算则说明了钠离子在O,N-MGNSs上的吸附能远低于O-MGNSs,表明O,N-MGNSs可使钠离子在界面上更为快速地传递,从而实现快速充放电。

本论文第一、第二作者分别为朱晓、姜沁源,通讯作者为张如范助理教授和贾希来副教授,合作者包括北京航空航天大学张千帆副教授、王天帅博士生。该研究得到了国家自然科学基金的支持。ChemSusChem是Wiley旗下的著名化学类期刊,2018年该期刊的影响因子为7.411.

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.201900798


浏览 (75) | 评论 (0) | 评分(0) | 支持(0) | 反对(0) | 发布人:管理员
将本文加入收藏夹
全屏背景
自定内容

Copyright © 2019-2020  张如范教授课题组  All Rights Reserved 


联系我们

办公电话:86-10-62789648

办公地址:北京清华大学工物馆304A 绿色反应工程与工艺北京市重点实验室

电子邮件:zhangrufan@tsinghua.edu.cn

自定内容