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一种极具潜力的钠离子电池负极材料:类磷烯结构的硫/硒化硅

Science China Press

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IMAGE: 钠在类磷烯结构的硫/硒化硅的扩散能垒 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

随着世界清洁能源的快速发展,对储能技术,尤其是大规模储能的需求日益迫切,电池储能是其中一个重要的发展方向。当前以对锂离子电池的研究和应用最为广泛,但由于锂元素的储量相对有限,制约了其成为大规模储能的理想选择。钠离子电池因使用价格低廉且来源广泛的钠元素,被视作锂离子电池最具发展潜力的替代品。但长期以来,因钠离子电池负极材料严重缺失,阻碍了该电池的发展。

为了寻找高性能钠离子电池负极材料,香港科技大学赵天寿教授课题组历经数年研究,近来在该领域取得突破。研究发现类磷烯结构的硫化硅和硒化硅有望成为下一代钠离子电池负极材料。磷烯是一种新型合成的具有独特褶皱表面的二维材料,实现其在钠离子电池中应用的关键在于如何克服该材料在氧与水存在时所表现出的高度不稳定性。赵教授课题组提出使用“原子嬗变”方法来设计类磷烯结构,有效利用了磷烯独特的原子结构,同时克服了其不稳定的缺陷,首次成功尝试采用类磷烯结构的硫化硅和硒化硅作为钠离子电池的负极材料。

计算结果表明:类磷烯结构的硫化硅和硒化硅可达到的最大钠/硫化硅与钠/硒化硅之比为1,对应的硫化硅负极和硒化硅负极的理论比容量为445.6 mAh g-1和250.4 mAh g-1。同时,在整个嵌钠过程中,硫化硅和硒化硅的体积膨胀非常小,保证了电极在不断充放电过程中的结构稳定性。更为重要的是,钠在硫化硅和硒化硅上表现出远高于在传统负极材料中的扩散速率,对应的钠扩散能垒仅为0.135 eV和0.158 eV,有利于实现钠离子电池优良的倍率性能。

该项目由中国香港特别行政区研究资助局提供支持 (No. 16213414)。

更多详情请阅原文:

Haoran Jiang, Tianshou Zhao, Yuxun Ren, Ruihan Zhang, Maochun Wu, Ab initio prediction and characterization of phosphorene-like SiS and SiSe as anode materials for sodium-ion batteries, Science Bulletin, 2017, Vol.62, No. 8: 572-578.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927317301664

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