黃云輝(華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074)

一種新型鋰離子和鈉離子電池兩用二維負(fù)極材料

黃云輝
(華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074)

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伴隨著人們對于清潔、便攜式能源需求的不斷增長，鋰離子電池由于較高的能量密度以及較長的循環(huán)壽命一直成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界追逐的熱點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子設(shè)備和電網(wǎng)儲能，特別是近年來在新能源汽車領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用越來越迫切1,2。眾所周知，鋰離子電池的綜合表現(xiàn)高度依賴其電極材料。現(xiàn)階段廣泛使用的負(fù)極材料是石墨，石墨成本低廉且具有較好的綜合性能，但其較低的儲鋰容量滿足不了新一代高比能電池的技術(shù)要求。其它負(fù)極材料如硅、氧化物等也都面臨一些應(yīng)用問題，其中最突出的就是充放電過程中的體積膨脹及導(dǎo)電性較差，這將導(dǎo)致循環(huán)壽命大幅度縮短。近些年來，鈉離子電池作為一種鋰離子電池的替代儲能器件獲得了迅速的發(fā)展，這主要是源于鈉離子電池優(yōu)秀的安全性、豐富廉價(jià)的原材料以及環(huán)境友好等特性3。因此如何設(shè)計(jì)和制備適用于新一代鋰/鈉離子電池兩用負(fù)極材料同時(shí)具備較高的容量、優(yōu)異的循環(huán)特性、快速充放電能力以及滿足大規(guī)模使用的安全性，是一個(gè)非常有意義的課題。

鑒于二維單層材料具有平整的表面和較大的比表面積，作為電池的負(fù)極材料是極有可能獲得高能量密度和高遷移率。最近山東大學(xué)戴瑛教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)通過第一性原理計(jì)算的方法在金屬離子電池方面取得了重要進(jìn)展4。該研究成果發(fā)表在最近的The Journal of Physical Chemistry Letters上。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并獲得了一種可同時(shí)應(yīng)用于鋰/鈉離子電池的優(yōu)異負(fù)極材料——二維Mo2C4。結(jié)果顯示該單層材料具有極佳的動力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性。在金屬離子吸附的測試中，該材料不僅可以作為鋰離子電池的負(fù)極材料同時(shí)在鈉離子電池中也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。據(jù)報(bào)道，二維Mo2C材料對于鋰離子和鈉離子的遷移勢壘分別為35和15 meV。這項(xiàng)結(jié)果顯示出了該材料出色的遷移特性，同時(shí)預(yù)示著在鋰/鈉離子電池的使用中將具有快速的充放電特性，對比于廣泛研究的MXenes、石墨烯體系以及MoS2等材料有著更加優(yōu)秀的性能。此外，在鋰離子電池的測算中理論容量達(dá)到了526 mAh?g－1，平均電極電位為0.14 eV；結(jié)構(gòu)上吸附金屬離子前后對整體材料體積的影響可以忽略不計(jì)，而且吸附的鋰離子層間分布著的類自由電子也進(jìn)一步保證了鋰離子的遷移，這些性質(zhì)都預(yù)示著二維Mo2C將有可能成為非常優(yōu)秀的負(fù)極材料。與此同時(shí)，二維Mo2C在對鈉離子電池的應(yīng)用中也表現(xiàn)出了不俗的性能，包括可觀的容量以及合適的平均電極電位等。分析結(jié)果顯示鈉離子之間的排斥力和與表面的吸附形成了競爭的關(guān)系，進(jìn)一步表面修飾有望進(jìn)一步提升其應(yīng)用于鈉離子電池時(shí)的電化學(xué)性能。因此，二維Mo2C材料將有希望在鋰/鈉離子電池領(lǐng)域成為下一代儲能電池極具競爭力的電極材料，該團(tuán)隊(duì)的工作將激發(fā)對這類材料的進(jìn)一步研究開發(fā)及可能的實(shí)際應(yīng)用。

References

(1)Tang,Q.;Zhou,Z.;Shen,P.J.Am.Chem.Soc.2012,134(40), 16909.doi:10.1021/ja308463r

(2)Dubal,D.P.;Ayyad,O.;Ruiz,V.;Gomez-Romero,P.Chem. Soc.Rev.2015,44(7),1777.doi:10.1039/C4CS00266K

(3)Palomares,V.;Casas-Cabanas,M.;Castillo-Martinez,E.;Han, M.H.;Rojo,T.Energy Environ.Sci.2013,6(8),2312.doi: 10.1039/c3ee41031e

(4)Sun,Q.;Dai,Y.;Ma,Y.;Jing,T.;Wei,W.;Huang,B.J.Phys. Chem.Lett.2016,7,937.doi:10.1021/acs.jpclett.6b00171

10.3866/PKU.WHXB201603141