材能學(xué)院教師連續(xù)在國際知名期刊《Advanced Science》上發(fā)表系列論文

發(fā)表時(shí)間：2022-08-31

鉀離子電池（KIB）具有與鋰離子電池相似的儲(chǔ)能機(jī)理,，且鉀資源豐富，顯示出大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的巨大潛力,。最近研究的KIB負(fù)極材料主要有碳材料,、過渡金屬氧化物和合金材料等。其中硬碳表現(xiàn)出最佳的綜合性能,，但其插層電位接近0 V（vs. K⁺/K）,，容易引起鉀枝晶，帶來安全隱患,。氧化物材料容量大,，插層電位高，但是首次循環(huán)效率低，循環(huán)不穩(wěn)定,。這極大的限制了鉀離子電池負(fù)極的發(fā)展,。

針對上述問題，我校材料科學(xué)與氫能學(xué)院司利平博士團(tuán)隊(duì)在了解釩氧化物K插層機(jī)理的基礎(chǔ)上,，設(shè)計(jì)了一種新型的雙離子（Na⁺/K⁺）層狀結(jié)構(gòu)的零應(yīng)變陽極材料（NaK(VO₃)₂-V₂O₅）,。Na⁺/K⁺的引入有助于傳輸，進(jìn)一步穩(wěn)定陽極結(jié)構(gòu),。它具有優(yōu)異的倍率性能,，通過非原位SEM、XRD,、XPS等測試方法首次揭示了其特殊的鉀儲(chǔ)存機(jī)制和零應(yīng)變特性,。NaK(VO₃)₂-V₂O₅的優(yōu)異性能使其具有巨大的商業(yè)負(fù)極材料潛力，可能會(huì)促進(jìn)高性能鉀離子負(fù)極的發(fā)展,。 

隨著便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車的廣泛應(yīng)用，對高能量密度二次電池提出了更高的要求,。雖然堿金屬負(fù)極具有較高的能量密度,，但不均勻的堿金屬離子沉積會(huì)導(dǎo)致枝晶的形成，阻礙了堿金屬電池的進(jìn)一步應(yīng)用,。其中,，液態(tài)金屬負(fù)極具有流動(dòng)性和自愈合性能，可以減緩循環(huán)過程中堿金屬枝晶生長引起的體積變化,。鈉鉀合金在室溫下可以在液相中穩(wěn)定存在,，這使其成為一種優(yōu)良的堿金屬電池負(fù)極材料，能夠抑制樹枝晶的形成和短路的發(fā)生,。然而,，鈉鉀合金表面張力大，導(dǎo)致其潤濕性差,。此外,，鈉鉀合金電池在載體選擇上研究也比較少。

鑒于此,，司利平博士團(tuán)隊(duì)針對性地設(shè)計(jì)了一種具有碳氧自由基分子的共價(jià)有機(jī)框架材料（COR-Tf-DHzDM-COFs）,，以直觀的比較不同的COFs結(jié)構(gòu)對碳氧自由基所帶來的影響。通過電子順磁共振譜表征了COR-Tf-DHzDM-COFs的自由基,，并顯示出了明顯碳氧特征峰,，證明了所合成的目標(biāo)產(chǎn)物。并對COR-Tf-DHzDM-COFs的化學(xué)組成和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究和討論,。此外,，COR-Tf-DHzDM-COFs與鈉鉀合金結(jié)合作為電極材料具有很多優(yōu)勢，具有巨大的應(yīng)用潛力。COR-Tf-DHzDM-COFs具有可控的孔結(jié)構(gòu),、豐富的官能團(tuán)有機(jī)基團(tuán)和良好的力學(xué)性能,，鈉鉀可以在COR-Tf-DHzDM-COFs中快速擴(kuò)散，能夠作為液態(tài)金屬負(fù)極在常溫下使用,。由于液態(tài)鈉鉀合金優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能和COR-Tf-DHzDM-COFs優(yōu)異的電子/離子輸運(yùn)性能,，COR-Tf-DHzDM-COFs@鈉鉀復(fù)合負(fù)極不僅能有效抑制枝晶，而且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性,。該研究為高性能堿金屬電池的發(fā)展提供了新的方向,，為液態(tài)金屬負(fù)極的發(fā)展提供了重要支撐。 

上述兩項(xiàng)成果分別以“Dual-ion Stabilized Layered Structure of O-V-O for Zero-strain Potassium Insertion and Extraction”和“Radical Covalent Organic Frameworks Associated with Liquid Na-K toward Dendrite-Free Alkali Metal Anodes”為題連續(xù)發(fā)表在國際知名期刊Advanced Science（中科院一區(qū),，影響因子17.521）上,，司利平博士為論文通訊作者。

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（材料科學(xué)與氫能學(xué)院）