一年三登PNAS:我校微纳研究院在储能器件研发领域佳音频传

更新于 2022-06-08 14:33   发表于 2022-06-08 14:33   访问次数:107 上一篇 下一篇

校园新闻网讯  我校微纳研究院再传喜讯,研究成果于6月3日在PNAS(美国科学院院刊)在线发表,是该团队一年内在PNAS上刊发的第3篇有关能源存储器件的论文。

该项目研究聚焦储能技术,积极响应我国“双碳”战略目标,而如何赋予储能器件优异的循环稳定性,是该领域的核心和关键之一。近年来,微纳材料与器件创新研究院围绕高性能储能器件研发,获持续新进展。

2021年5月,针对当前碳基超级电容器难以兼顾能量密度和循环寿命的难题,该团队报道了一种具有三维纳米纤维网络结构的分级多孔碳气凝胶制备策略,并实现了其缺陷和微/介孔分布的有效调控。在1 A g-1电流密度下,三电极体系比电容达352 F g-1,高于纤维直接衍生碳(178F g-1)和大部分已有报道的活性碳材料(通常低于250 F g-1),所组装的超级电容器在功率密度为0.60 kW kg-1时,能量密度达14.83 Wh kg-1,循环充放电6.5万次后电容保留率为100%,实现了兼具高能量密度和长循环充放电寿命的超级电容器的研发。研究成果以“High energy density and extremely stable supercapacitors based on carbon aerogels with 100% capacitance retention up to 65,000 cycles”为题发表在PNAS上(2021, DOI: 10.1073/pnas.2110912118)。

2021年8月,针对钾离子电池循环稳定性差的普遍难题(钾离子半径为1.38 Å,比锂离子半径0.76Å大很多,在充放电过程中易导致电极结构体积变化大而被破坏),该团队报道了一种基于羧基官能团为氧化还原中心的新型储钾机理。在放电过程中,羧基官能团中氧原子周围电荷密度提高,使得高电负性的氧原子更容易捕获电子,进而使得C=O双键断裂,与钾离子相结合实现储能;在充电过程中,氧原子失去电子使得周围电荷密度降低,导致C−O−和钾离子之间的键能减弱,钾离子实现脱嵌,从而完成其吸附与脱嵌过程。所构建的钾离子电池在高温服役环境下展现出优异的循环稳定性:在大电流密度500 mA g-1下循环390次,比容量保持率81.5%,为当前国内外已有报道的最优值。其优异的电化学特性主要归因于独特的表面官能团储能机理,能够缓解电化学反应过程中因钾离子插入/脱嵌所带来的电极结构破坏。研究成果以“Robust High-temperature Potassium-Ion Batteries Enabled by Carboxyl Functional Group Energy Storage”为题发表在 PNAS 上(2021, DOI: 10.1073/pnas.2110912118)。

近日,在上述研究工作基础上,为进一步提高钾离子电池的倍率特性,该团队通过对碳材料的结构设计与掺杂优化,实现了兼具高循环稳定性和优异倍率特性的钾离子电池研发。通过赋予碳材料独特的分级多孔结构,能有效加速电子和离子的转移,同时增加储钾活性位点,提高钾离子电池的比容量和循环稳定性;同时通过硼元素掺杂,在引入活性位点提高电池赝电容贡献比容量的同时,增强了材料导电性,最终实现了电池反应动力学速率和循环稳定性的强化。所组装的钾离子半电池在100 mA g-1下表现出428 mA h g-1的高倍率特性,以及在2000 mA g-1下循环2000次后具有330 mA h g-1的高可逆比容量;所构建的全电池在500 mA g-1下循环750次后具有98%比容量保持率,优于已有报道的大部分碳材料。研究成果以“High-Performance K-ion Half/Full Batteries with Superb Rate Capability and Cycle Stability”为题发表在PNAS上(2022, DOI: 10.1073/pnas.2122252119)。

PNAS是《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)的缩写,是美国国家科学院的官方学术周刊,与Nature、Science、Cell并称为世界四大名刊。

微纳研究院成立于2021年,为宁波工程学院下属独立运营的二级单位。微纳团队是我校长期重点培养的创新团队之一,为“浙江省高校高水平创新团队”,现成员50余人,拥有核心师资18人(其中具有博士学位的15人、正高3人、副高6人)、“浙江省高校领军人才”5人、“宁波市领军和拔尖人才”7人。团队带头人杨为佑研究员自2005年清华大学博士毕业后即来校工作,从零起步建团队建平台,通过我校自主培养当选为乌克兰工程院外籍院士、英国皇家化学会会士。团队主要从事半导体新材料制备及其器件应用基础研究,具体包括:第三代半导体SiC和金刚石、半导体量子点与显示照明、半导体微纳材料与新能源、半导体物性理论研究等四个研究方向。