材能學院教師連續(xù)在國際知名期刊《Advanced Science》上發(fā)表系列論文

發(fā)表時間：2022-08-31

鉀離子電池（KIB）具有與鋰離子電池相似的儲能機理,，且鉀資源豐富,，顯示出大規(guī)模儲能系統(tǒng)的巨大潛力。最近研究的KIB負極材料主要有碳材料,、過渡金屬氧化物和合金材料等,。其中硬碳表現(xiàn)出最佳的綜合性能，但其插層電位接近0 V（vs. K⁺/K）,，容易引起鉀枝晶，帶來安全隱患,。氧化物材料容量大,，插層電位高，但是首次循環(huán)效率低,，循環(huán)不穩(wěn)定,。這極大的限制了鉀離子電池負極的發(fā)展。

針對上述問題,，我校材料科學與氫能學院司利平博士團隊在了解釩氧化物K插層機理的基礎上,，設計了一種新型的雙離子（Na⁺/K⁺）層狀結構的零應變陽極材料（NaK(VO₃)₂-V₂O₅）。Na⁺/K⁺的引入有助于傳輸,，進一步穩(wěn)定陽極結構,。它具有優(yōu)異的倍率性能，通過非原位SEM,、XRD,、XPS等測試方法首次揭示了其特殊的鉀儲存機制和零應變特性。NaK(VO₃)₂-V₂O₅的優(yōu)異性能使其具有巨大的商業(yè)負極材料潛力,，可能會促進高性能鉀離子負極的發(fā)展,。 

隨著便攜式電子設備和電動汽車的廣泛應用，對高能量密度二次電池提出了更高的要求,。雖然堿金屬負極具有較高的能量密度,，但不均勻的堿金屬離子沉積會導致枝晶的形成，阻礙了堿金屬電池的進一步應用,。其中,，液態(tài)金屬負極具有流動性和自愈合性能，可以減緩循環(huán)過程中堿金屬枝晶生長引起的體積變化,。鈉鉀合金在室溫下可以在液相中穩(wěn)定存在,，這使其成為一種優(yōu)良的堿金屬電池負極材料,，能夠抑制樹枝晶的形成和短路的發(fā)生。然而,，鈉鉀合金表面張力大,，導致其潤濕性差。此外,，鈉鉀合金電池在載體選擇上研究也比較少,。

鑒于此，司利平博士團隊針對性地設計了一種具有碳氧自由基分子的共價有機框架材料（COR-Tf-DHzDM-COFs）,，以直觀的比較不同的COFs結構對碳氧自由基所帶來的影響,。通過電子順磁共振譜表征了COR-Tf-DHzDM-COFs的自由基，并顯示出了明顯碳氧特征峰,，證明了所合成的目標產物,。并對COR-Tf-DHzDM-COFs的化學組成和穩(wěn)定性進行了研究和討論。此外,，COR-Tf-DHzDM-COFs與鈉鉀合金結合作為電極材料具有很多優(yōu)勢,，具有巨大的應用潛力。COR-Tf-DHzDM-COFs具有可控的孔結構,、豐富的官能團有機基團和良好的力學性能,，鈉鉀可以在COR-Tf-DHzDM-COFs中快速擴散，能夠作為液態(tài)金屬負極在常溫下使用,。由于液態(tài)鈉鉀合金優(yōu)異的動態(tài)性能和COR-Tf-DHzDM-COFs優(yōu)異的電子/離子輸運性能,，COR-Tf-DHzDM-COFs@鈉鉀復合負極不僅能有效抑制枝晶，而且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性,。該研究為高性能堿金屬電池的發(fā)展提供了新的方向,，為液態(tài)金屬負極的發(fā)展提供了重要支撐。 

上述兩項成果分別以“Dual-ion Stabilized Layered Structure of O-V-O for Zero-strain Potassium Insertion and Extraction”和“Radical Covalent Organic Frameworks Associated with Liquid Na-K toward Dendrite-Free Alkali Metal Anodes”為題連續(xù)發(fā)表在國際知名期刊Advanced Science（中科院一區(qū),，影響因子17.521）上,，司利平博士為論文通訊作者。

論文鏈接：,；

（材料科學與氫能學院）