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过渡金属硫系化合物:分级纳米结构的调控与优异的储锂(钠)特性

(2016-06-28)

  近日,我实验室余彦教授课题组与德国马普固体研究所合作,设计构筑了一系列具有分级纳米结构的金属硫系化合物复合材料。这种新颖的化合物结构表现了优异的储锂和储钠性能。相关的研究结果发表在《Advanced Materials》上:(①Advanced Materials,(2016), DOI: 10.1002/ adma201602009;②Advanced Materials,(2016),DOI: 10.1002/adma.201600964; Advanced Materials, 2016, 28, 174-180.)

  锂离子电池凭借其较高能量存储密度在便携式电子产品中已经获得广泛的应用。近年来电动汽车,智能手机,智能电网的发展对电池提出了更高的要求:高能量密度,高功率密度,长循环寿命以及低成本。相比锂离子电池,钠离子电池具有资源丰富和成本低廉的优势,近年来受到科技界广泛的关注。商业化石墨负极材料表现出有限的理论储锂(372 mAh g-1)和储钠(31 mAh g-1)容量,而金属硫化物负极的理论储锂容量是商用石墨的2~4倍,近年来受到科技工作者的广泛的关注和研究,有望成为新一代高性能电极材料。但是,金属硫系化合物的低电导率和充放电过程中的巨大体积膨胀,导致其循环寿命和倍率性能极差。

  针对上述问题,余彦教授课题组设计了设计和合成了一系列具有分级纳米结构的金属硫系化合物复合材料。这种新颖的纳米结构构筑兼具低维纳米结构和高维微结构的优点,大幅度提高了金属硫系化合物储锂和储钠的循环寿命和大倍率充放电性能,为提升金属硫系化合物电极材料的性能提供了新的研究思路。例如,分层级纳米结构的碳包覆硫化锰微米片作为锂电池负极材料,在0.5 A g-1的电流密度下,经过100循环后,释放出528 mAh g-1的可逆储锂容量。豌豆荚状的碳包覆硒化钴纳米线,在0.1 A g-1的电流密度下,经过100循环后,容量保持88%,释放出294 mAh g-1的可逆储钠容量。多孔碳支持的二硫化钼纳米片,在0.2 A g-1的电流密度下,经过350循环后,容量几乎没有衰减,可释放出235 mAh g-1可逆储钠容量。

  中国科学技术大学为该工作的第一单位。该工作得到中组部“青年千人计划”,自然基金委,新世纪优秀人才计划,中国科学技术大学创新团队培育基金,中央高校基本科研业务费专项资金资助以及苏州纳米科技协同创新中心的大力支持。

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