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邢伟教授团队在新型离子电池及电催化方面取得系列进展

作者：崔永朋审核：发布者：刘玉丽发布时间：2021-07-16浏览次数：1389

近日，我院邢伟教授课题组在新型离子电池（钾离子电池、铝离子电池），超级电容器，电催化等研究方面取得系列进展。相关论文先后刊发在国际著名期刊《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）、《储能材料》（Energy Storage Materials）、《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）、《能源化学》（Journal of Energy Chemistry）、《碳》（Carbon）、《中国科学材料》（Science China Materials）上。该系列成果得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金重大基础研究项目的资助。同时，团队开发了一种成本低廉、工艺绿色的硬碳负极材料，该材料已申报中国专利和PCT专利，并实现了科技成果转化（山东昭文新能源材料有限公司）。

1. 快速、稳定的钾离子存储材料

钾离子存储体系因其丰富的资源储量和K/K⁺ (-2.92 V)接近Li/Li⁺ (-3.04V)的标准氧化还原电位而成为大规模储能领域的一个重要研究热点。然而，钾离子插层引起的体积膨胀一直是高性能储钾电极材料设计和制备的一大挑战。如何设计构筑高性能的电极材料是钾离子电池当前面临的巨大挑战。近期，邢伟教授团队在水溶性盐晶模板的辅助下，采用两种创新性的制备技术，一是活性材料在碳骨架中原位化学沉积，二是阴离子交换反应策略设计中空结构，成功构建了锚定于三维碳骨架的空心FeS₂纳米粒子复合结构，并实现了FeS₂在钾离子储能系统中稳定的长循环性能。该研究成果发表在国际期刊《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)上，IF=29.368。博士后崔永朋、博士生冯文婷为共同第一作者，邢伟教授、中国海洋大学柳伟教授为共同通讯作者。同时，团队将熔融的 Se 物种渗透到碳骨架中，获得了一种“水立方”状的 Se@C 杂化电极材料。由于盐晶模板中CO₃^2-基团的存在，发现Se物种以强C-O-Se键的形式牢固地锚定在碳骨架上，这使得碳载体与Se物种之间良好的化学相互作用。该Se@C杂化结构不仅可以防止活性材料脱落，提高Se物种的利用率，还能缓解多硒化物的“穿梭效应”，表现出优异的储钾性能。该研究成果发表在期刊《能源化学》(Journal of Energy Chemistry)上，IF=9.676。硕士生周莉为第一作者，博士后崔永朋及邢伟教授为共同通讯作者。

2. 高性能铝-聚苯胺电池及铝-硒电池

铝离子电池作为一种高理论容量、高电荷转移率、低成本和高安全性的储能器件具有良好的应用前景。但是，正极材料的电化学性能限制了铝离子电池（AIBs）的进一步发展。因此，寻找一种同时能够兼顾容量和稳定性的正极材料，并明确其反应机理显得尤为重要。近日，邢伟教授团队根据第一性原理的计算结果，开发出一种聚苯胺/氧化石墨烯复合材料（G-PANI），该复合材料作为铝离子电池正极材料表现出极为出色的电化学性能（4000次循环后比容量依然能维持180 mAh g^-¹）。多种非原位表征实验证明，在充电过程中聚苯胺通过其-NH基团与电解质阴离子（AlCl₄^-）之间的适度相互作用进行电荷存储。本研究为基于导电聚合物正极材料的高性能铝离子电池的发展奠定了基础。该研究成果发表在国际期刊《中国科学材料》(Science China Materials)上，IF=8.273。博士生王丹丹为第一作者，任浩副教授、邢伟教授为共同通讯作者。同时课题组成员设计了一种硒/石墨烯气凝胶复合材料（Se/GA）应用于高容量铝-硒电池。其基于转化反应的储能机制也使得硒成为很有潜力的电极材料，广泛应用于各种电池体系。该铝-硒电池以AlCl₃/三乙胺盐酸盐离子液体作为电解液，通过多种表征手段明确了硒6电子转移的反应机理，其理论容量高达2036 mAh g^-1。该研究成果发表在国际期刊《储能材料》(Energy Storage Materials)上，IF=17.789。硕士生张彤、博士后蔡同辉为共同第一作者，阎子峰教授为共同通讯作者。

3. 高赝电容型电极材料：碳量子点诱导改善MXene电极性能

超级电容器(SCs)作为不同于金属离子电池(MIBs)的一种储能装置，因其具有较高的功率密度和较长的周期特性而被广泛应用于大功率电子器件中。然而，不理想的能量密度在很大程度上限制了超级电容器的应用。因此，为了满足人们对超级电容器器件的要求，必须在高性能电极材料的设计上进行实质性的改进。高比表面积的Ti₃C₂T_xMXene材料是高能量密度超级电容器电极材料之一，但其表面官能团利用率较低，限制了其容量的发挥。该工作利用碳量子点对Ti₃C₂T_xMXene表面基团进行修饰改造，修饰后的MXene基复合材料其表面活性基团如Ti-O基团显著提升，并且根据DFT计算结果，碳量子点的引入有效调节MXene的能带结构，促进赝电容电化学反应的进行。经过电化学性能测试，复合材料展现出优异的赝电容特性，良好的循环性能及倍率特性。该研究成果发表在国际期刊《碳》(Carbon)上，IF=9.594。博士生王业胜、博士后崔永朋为共同第一作者，赵联明副教授、邢伟教授为共同通讯作者。

4. 化学锚定和电子结构调节--双重策略增强镍基催化剂的氢氧化催化性能

受益于氢的高能量密度和环境友好性，有关氢的电化学能量存储和转换一直备受关注。其中，氢氧化反应（HOR）是实现氢气高效电化学利用的基本反应之一。然而，氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFC）中的 HOR 反应动力学比在酸性环境中慢几个数量级，这需要更高的铂族金属负载量。开发高效的、非贵金属基HOR电催化剂以降低HEMFC 的经济成本成为目前的重要研究方向。该工作以脱合金后的多孔镍为模板，乙腈为碳源，利用CVD技术制备独特的氮掺杂石墨纳米薄片载体（N-GFs），为Ni活性物种提供了丰富且牢固锚定位点。此后，基于N-GFs 载体原位构建Ni₃N/Ni异质结构，并通过实验结果验证了载体表面的含氮物种与Ni组分间强的化学锚定作用。DFT计算表明Ni₃N/Ni异质结构处有明显的电子转移效应，从而实现了对Ni电子结构的优化调控，有效削弱了氢吸附能，并显著降低了水形成反应势垒。该研究成果发表在国际期刊《化学工程杂志》(Chemical Engineering Journal)上，IF=13.273。博士生王小宁、李学进副教授为共同第一作者，赵联明副教授、邢伟教授为共同通讯作者。

5.团队近期实现的科技成果转化

团队通过优选原料和优化制备工艺，开发了一种成本低廉、工艺绿色的硬碳负极材料，可显著提升锂离子电池的动力学性能和低温性能。通过制作软包电池和第三方测评，其综合性能优于日本住友、可乐丽等进口硬碳材料，且材料制备综合成本很低，具有较强的商业化潜力，已申报中国专利（202010986133.6）和PCT专利（PCT/CN2020/117973），并实现了科技成果转化（山东昭文新能源材料有限公司），转化金额为50万元。

邢伟教授团队长期从事新能源材料领域的研究，近年来承担国家自然科学基金（4项）、山东省自然科学基金杰出青年基金、山东省自然科学基金重大基础研究项目、中国石油重大超前储备项目、山东省泰山学者青年专家支持计划等课题20余项，发表学术论文100余篇，论文被他引7000 余次。研究成果获山东省自然科学一等奖2项，教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学二等奖1项。