1. 首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家
  4. 研之成理

内建电场当“马达”?MOF衍生新型铝离子电池

前言:

    今天非常有幸邀请到山东大学尹龙卫教授课题组对他们最新发表的EES进行分享,本文由第一作者李彩霞博士撰写,希望有助于大家了解研究思路。

内建电场当“马达”?MOF衍生新型铝离子电池

第一作者:李彩霞

通讯作者:尹龙卫教授

通讯单位:山东大学

 

1. 研究背景

a. 思路设计

    随着移动设备和大规模储能的发展,社会对于储能的需求也在不断提升,开发和研究新型电池体系是十分必要的。铝离子电池1940s第一次被报道,其理论容量高达2980 mA h g-1,具有价格低廉,在地壳含量丰富的优点。2015年,戴洪杰教授课题组报道了石墨化的泡沫碳用于铝离子电池,并设计了离子液体电解液,使得铝离子电池再次成为研究热点。逐渐地石墨烯基材料、2D层状材料以及硫化物等作为铝离子电池正极材料被报道本课题是关于金属有机骨架化合物储能研究,而碳基材料在电化学储能应用中具有非常广泛的应用;因此,我们考虑能不能利用MOF衍生碳材料作为铝离子电池正极材料。基于EMIC-AlCl3电解液,铝离子电池电化学过程中嵌入脱出的离子是离子半径为0.53 nm的AlCl4阴离子,由于半径较大,导致动力学过程较慢。本文选择了UiO-66衍生的具有丰富孔道的碳材料,其孔道作为电解液和离子传输的通道;并利用异质原子掺杂构建内建电场,为电荷传输提供驱动力。

内建电场当“马达”?MOF衍生新型铝离子电池

图1 UiO-66的结构示意图

b. 合成方案

如图2展示了实验过程中的合成思路。首先采用对苯二甲酸作为配体合成UiO-66,之后,采用其作为晶核,用NH2-UiO-66作为配体,通过异质生长得到NH2-UiO-66@UiO-66的异质结构。然后,再利用多聚磷酸和-NH2质子化聚合的过程,得到了三层异质结构。将前驱体分别碳化,除去金属成分,分别得到C,N-C@C,N,P-C@N-C@C三种结构。本文以具有三层异质结结构MOF衍生的炭材料N,P-C@N-C@C作为主要研究对象。

内建电场当“马达”?MOF衍生新型铝离子电池

图2 合成思路展示

 

2. 结果与讨论

    SEM,TEM,XPS的表征结果说明材料很好的保持了原本前驱体的八面体结构。N,P原子掺杂到晶格中,并呈现出梯度分布的结果。

内建电场当“马达”?MOF衍生新型铝离子电池

图3 N,P-C@N-C@C结构与组分表征

    理论计算结果表明,异质原子掺杂引起电荷梯度分布,进而构建内建电场。另外,态密度分布图证明掺杂引起费米能级附近电子浓度升高,意味着掺杂之后材料的导电性升高。

内建电场当“马达”?MOF衍生新型铝离子电池

图4 DFT计算结果

    能带分析测试进一步验证了C,N-C,N,P-C每层之间梯度的能级梯度分布情况,进而证明界面处内建电场的成功构建电子传递的方向为从N,P-C到N-C进而到中心C层,带负电的电子传递方向与电场方向相反,可推断,在材料内部构建了从内向外的内建电场。在充电过程中,内建电场力成为阴离子传输的驱动力,加速其向内传输;在放电过程中,梯度能级分布有利于电子的快速向内传递,改善倍率性能,提升活性物质利用率。

内建电场当“马达”?MOF衍生新型铝离子电池

图4 能带分析及长循环性能测试

3. 结论与展望

    通过设计梯度异质原子掺杂,成功构建了材料内部的内建电场,有效改善离子扩散的动力学过程,促进体相电荷传输过程,提升了铝离子电池倍率性能、长循环稳定性。在该工作中,我们采用具有丰富孔道结构的MOF衍生碳作为电极材料,为电解液的传递和离子的传输提供足够的通道。设计梯度原子掺杂,构建界面处内建电场,为电荷传输提供驱动力。

4. 心得与体会

在此,仅简单谈谈自己的感受。

a.快乐科研:在不断深入思考的过程中,发现有趣的规律是快乐的;在一次次逐渐完善之后,得到理想的模型是有成就感的。善于发现其中的乐趣,以积极健康的心态去面对重重困难。

b.提高要求:读博的过程是一次历练,只有不断提升自己的要求,才再上一个台阶。在导师一次一次严格的要求下,我不断提升对自己的要求。

c.充分思考:磨刀不误砍柴工,在实验开始之前,充分的思考是十分必要的。符合科学规律的思路,环环相扣的设计,严谨的思维模式都是我们在读研究生过程中要学习和培养的能力。

希望每位努力付出的你,快乐生活,快乐科研!

5. 作者介绍

尹龙卫,国家自然科学杰出青年基金获得者,山东大学教授。在Nature Mater., Nature Comm., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., ACS Nano等学术期刊发表论文200余篇,SCI他引近6000次。承担国家和省部级项目15项,获发明专利16项。任全国体视学会常务理事,全国材料学会、全国电镜学会理事,山东电镜学会理事长。团队现在读研究生(博、硕)共27人,青年教师2人。主要研究方向为能量转换与能源存储,近年来,在能源存储领域,围绕材料设计和制备、性能开展了系统的创新性工作。

 

6. 致谢

感谢国家项目支持:介孔/微孔复合材料的控制制备与储能应用(No: 51532005),国家自然科学杰出青年基金项目:轻元素化合物层状与有序介孔功能材料(No:51025211),国家重大科学研究计划项目:微/纳米材料对POPs重度污染土壤修复的原理及其示范。(No:51272737)等。

本文来自研之成理,转载旨在知识传播,本文观点不代表清新电源立场。 扫描页面右上角二维码关注微信公众号研之成理

发表评论

登录后才能评论

联系我们

0755-86936171

有事找我:点击这里给我发消息

邮件:zhangzhexu@v-suan.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code