1. 首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家
  4. 能源学人

尹龙卫团队EES解读:MOFs衍生异质原子界面工程构建内建电场用于新型铝离子电池

研究背景

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2980mAh/g,具有电压比较低,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。金属有机骨架化合物在储能领域有大量报道和研究,本文采用MOF衍生材料作为铝离子电池正极材料,研究其铝离子电池性能。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0.53nm的AlCl4-阴离子,由于半径较大,导致动力学不足的问题。选择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。

合成方案

如图1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。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N,P-C@N-C@C作为主要研究对象。

尹龙卫团队EES解读:MOFs衍生异质原子界面工程构建内建电场用于新型铝离子电池

图1合成思路展示

 

【结果与讨论】

通过SEM,TEM,线扫,面扫,XPS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。

尹龙卫团队EES解读:MOFs衍生异质原子界面工程构建内建电场用于新型铝离子电池

图2 N,P-C@N-C@C结构与组分表征

 

通过理论计算,说明由于异质原子掺杂而引起电荷梯度分布,可以推测内建电场成功构建。另外,态密度分布图证明掺杂引起费米能级附近电子浓度增大,意味着导电性提升。

尹龙卫团队EES解读:MOFs衍生异质原子界面工程构建内建电场用于新型铝离子电池

图3:DFT计算结果

 

通过能带分析测试,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构建。因此,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。

尹龙卫团队EES解读:MOFs衍生异质原子界面工程构建内建电场用于新型铝离子电池

图4:能带分析及长循环性能测试 

 

 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,有效改善动力学,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,作者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。

 

Caixia Li, Shihua Dong, Rui Tang, XiaoliGe, Zhiwei Zhang, Chengxiang Wang, Yupeng Lu,  Longwei Yin, Heteroatomic interface engineering in MOF-derived carbon heterostructures with built-in electric-field effects for high performance Al-ion batteries, Energy Environ. Sci., 2018, DOI:10.1039/C8EE01046C

团队介绍

本文通讯作者为山东大学尹龙卫教授。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。团队成立于2006年,现在读研究生(博、硕)共27人,青年教师3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。

本文来自能源学人,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能源学人

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