【材料】东北师大吴兴隆团队在先进电池材料领域取得系列研究进展

导读

近日，东北师范大学吴兴隆教授团队在先进电池材料领域取得系列研究进展。团队设计开发了兼顾高性能和高应用性的钠离子电池材料，完成了相关电极材料的小试开发，有望助力钠离子电池的产业化进程。研究成果陆续发表在《材料科学进展》（Progress in Materials Science）、《先进材料》（Advanced Materials）、《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）、《今日材料》（Materials Today）、《尖端科学》（Advanced Science）和《能源化学》（EnergyChem）等学科顶级学术期刊上。

针对钠离子电池聚阴离子型正极材料，提出晶格高熵化设计理念，开发了高熵氟磷酸盐正极材料，实现了工作电压和能量密度的提升。该高熵氟磷酸盐不仅抑制了原有低压区的相变反应，还提升电子电导率、降低迁移能垒，使其表现出优异的循环稳定性和倍率性能。研究提出的高熵策略填补了固定晶格中活性过渡金属中心电压不可调的空白，印证了高熵策略对于设计新型正极材料的重要性，为开发下一代先进电极材料提供了新的思路。该成果以“Advanced High-Entropy Fluorophosphate Cathode for Sodium-ion Batteries with Increased Working Voltage and Energy Density”为题，发表于材料类国际顶级期刊Advanced Materials（ 2022 , 34 (14), 2110108），并被遴选为封面文章，入选ESI热点和高被引论文。论文第一作者为物理学院博士生谷振一。

在聚阴离子型正极材料中构建异质复合结构，发挥各异质组分的协同提升效应，设计了新型Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 -Na 3 Fe 2 (PO 4 )(P 2 O 7 )异质复合磷酸盐正极，为利用复合结构工程开发先进聚阴离子型正极材料提供了理论依据。同时，为了改善磷酸盐正极的导电性，引入项链状双碳导电网络，显著提升了电池的倍率性能和循环稳定性。相关成果分别以“Heterogeneous NASICON-type composite as low-cost, high-performance cathode for sodium-ion batteries”和“ Pearl-Structure-Enhanced NASICON Cathode Towards UltrastableSodium-Ion Batteries”为题，发表于材料类国际著名期刊Advanced Functional Materials（ 2022 , 32 (52), 2209482）和Advanced Science（ 2023 , advs.202301308）上。两篇论文的第一作者分别为物理学院青年教师郭晋芝和化学学院博士生赵欣欣。

为了促进磷酸正极材料在钠离子全电池中安全、稳定地应用，采用纤维素基隔膜（CP）与碳酸聚丙烯（PPC）浸渍固化的方法制备了纤维素基复合隔膜（CP@PPC）。在PPC的辅助下，CP@PPC隔膜能够在高达4.95 V的电压下稳定运行，其“孔道-跳跃”离子迁移机制在提供额外Na + 迁移路径的同时，也促进了Na + 的高效迁移。匹配的基于CP@PPC隔膜的全电池表现出良好倍率和优异循环性能，在2C下循环500次后的容量保留率仍达96.97%。在特定应用情景下，该隔膜仍旧能耐受折叠、弯曲和极端温度等苛刻条件，使高安全性钠离子电池有望灵活应用于下一代储能系统。相关成果以“"Pore-Hopping" Ion Transport in Cellulose-Based Separator Towards High-Performance Sodium-Ion Batteries”为题，发表于国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition（ 2023 , 62 (15), e202300258）上，并被遴选为VIP和封面文章。论文第一作者为物理学院博士生杨佳霖。

在磷酸盐正极等先进电池材料领域取得系列研究成果受到了国内外同行的广泛关注，应邀撰写了多篇高水平综述论文。针对钠离子电池聚阴离子型正极材料开发过程中涉及的先进表征技术，从结构、形貌、组成以及充放电过程中的原位/现场表征技术等方面，详细讨论了每种技术的检测机理、应用范围、可获得的信息和局限性，总结了这些技术在聚阴离子型材料表征中的最新进展，并提出了具体且实用的研究方向。先进表征技术对于理解电极材料的反应机理具有至关重要的作用，可以为设计高性能聚阴离子型正极材料和进一步优化钠离子电池的电池系统提供重要的指导原则。该成果以“Emerging characterization techniques for delving polyanion-type cathode materials of sodium-ion batteries”为题，发表于材料类国际著名期刊Materials Today（ 2023 , DOI: 10.1016/j.mattod.2023.03.020）。论文的第一作者为青年教师郭晋芝。二维过渡金属碳（氮）化物MXene作为一类新型二维纳米材料，具有优异的物理化学性质而得到了广泛关注和研究。其与碳材料协同整合而开发的MXene/碳复合材料更是为电化学储能、光/电催化水分离、电磁波吸附、传感等领域带来了更多的应用机会。对MXene/碳复合材料进行全面的总结，包括设计原理、合成路线，以及两种成分之间的内部关联性，分析和阐述了MXene基复合材料与多维碳材料的纹理特征和结构-性能关系，指明了MXene与不同维度碳质基体进行杂化的潜在挑战和研究前景，为MXene基复合材料的应用提供了启发。相关成果以“Two-dimensional MXene with multidimensional carbonaceous matrix: A platform for general-purpose functional materials”为题，发表于材料学科的国际著名期刊Progress in Materials Science（ 2023 , 135 , 101105）。论文第一作者为物理学院青年教师曹峻鸣。水系离子电池具有高安全性和环境友好性的特点，在大规模储能领域显示出明显优势，是一种具有高功率密度和长寿命的绿色电池技术。与传统的金属离子存储过程相比，质子载体的非常规存储机制而较少受到关注。但其独特的工作机制和特性，使得质子电池展现出优异的低温电化学性能并能兼顾高成本效益，可发挥水系储存技术的广阔应用潜能。从电极材料、电解质和集流体的角度，对水系质子电池的发展进行全面的总结，包括相应的设计原理和储能机制，在阐明水系质子电池发展现状的同时，指出了亟待解决的问题与挑战，为下一步研究提供了思路和科学依据。相关成果以“Advanced aqueous proton batteries: working mechanism, key materials, challenges and prospects”为题，发表于能源类新兴期刊EnergyChem（Cite Score = 33.4; 2022 , 4 (6), 100092）。论文第一作者博士生杨佳霖。

上述工作得到国家自然科学基金重大研究计划（91963118）和面上项目（52173246）、吉林省中青年科技创新创业卓越人才（团队）项目（20220508141RC）和相关企业横向课题的资助。

来源：东北师范大学