一種新型鋰離子和鈉離子電池兩用二維負極材料

黃云輝(華中科技大學材料科學與工程學院，武漢430074)

一種新型鋰離子和鈉離子電池兩用二維負極材料

黃云輝
(華中科技大學材料科學與工程學院，武漢430074)

[Highlight]

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伴隨著人們對于清潔、便攜式能源需求的不斷增長，鋰離子電池由于較高的能量密度以及較長的循環壽命一直成為學術界和產業界追逐的熱點，目前已廣泛應用于各種便攜式電子設備和電網儲能，特別是近年來在新能源汽車領域的商業化應用越來越迫切1,2。眾所周知，鋰離子電池的綜合表現高度依賴其電極材料。現階段廣泛使用的負極材料是石墨，石墨成本低廉且具有較好的綜合性能，但其較低的儲鋰容量滿足不了新一代高比能電池的技術要求。其它負極材料如硅、氧化物等也都面臨一些應用問題，其中最突出的就是充放電過程中的體積膨脹及導電性較差，這將導致循環壽命大幅度縮短。近些年來，鈉離子電池作為一種鋰離子電池的替代儲能器件獲得了迅速的發展，這主要是源于鈉離子電池優秀的安全性、豐富廉價的原材料以及環境友好等特性3。因此如何設計和制備適用于新一代鋰/鈉離子電池兩用負極材料同時具備較高的容量、優異的循環特性、快速充放電能力以及滿足大規模使用的安全性，是一個非常有意義的課題。

鑒于二維單層材料具有平整的表面和較大的比表面積，作為電池的負極材料是極有可能獲得高能量密度和高遷移率。最近山東大學戴瑛教授領銜的團隊通過第一性原理計算的方法在金屬離子電池方面取得了重要進展4。該研究成果發表在最近的The Journal of Physical Chemistry Letters上。該團隊設計并獲得了一種可同時應用于鋰/鈉離子電池的優異負極材料——二維Mo2C4。結果顯示該單層材料具有極佳的動力學和熱力學穩定性。在金屬離子吸附的測試中，該材料不僅可以作為鋰離子電池的負極材料同時在鈉離子電池中也具有潛在的應用價值。據報道，二維Mo2C材料對于鋰離子和鈉離子的遷移勢壘分別為35和15 meV。這項結果顯示出了該材料出色的遷移特性，同時預示著在鋰/鈉離子電池的使用中將具有快速的充放電特性，對比于廣泛研究的MXenes、石墨烯體系以及MoS2等材料有著更加優秀的性能。此外，在鋰離子電池的測算中理論容量達到了526 mAh?g－1，平均電極電位為0.14 eV；結構上吸附金屬離子前后對整體材料體積的影響可以忽略不計，而且吸附的鋰離子層間分布著的類自由電子也進一步保證了鋰離子的遷移，這些性質都預示著二維Mo2C將有可能成為非常優秀的負極材料。與此同時，二維Mo2C在對鈉離子電池的應用中也表現出了不俗的性能，包括可觀的容量以及合適的平均電極電位等。分析結果顯示鈉離子之間的排斥力和與表面的吸附形成了競爭的關系，進一步表面修飾有望進一步提升其應用于鈉離子電池時的電化學性能。因此，二維Mo2C材料將有希望在鋰/鈉離子電池領域成為下一代儲能電池極具競爭力的電極材料，該團隊的工作將激發對這類材料的進一步研究開發及可能的實際應用。

References

(1)Tang,Q.;Zhou,Z.;Shen,P.J.Am.Chem.Soc.2012,134(40), 16909.doi:10.1021/ja308463r

(2)Dubal,D.P.;Ayyad,O.;Ruiz,V.;Gomez-Romero,P.Chem. Soc.Rev.2015,44(7),1777.doi:10.1039/C4CS00266K

(3)Palomares,V.;Casas-Cabanas,M.;Castillo-Martinez,E.;Han, M.H.;Rojo,T.Energy Environ.Sci.2013,6(8),2312.doi: 10.1039/c3ee41031e

(4)Sun,Q.;Dai,Y.;Ma,Y.;Jing,T.;Wei,W.;Huang,B.J.Phys. Chem.Lett.2016,7,937.doi:10.1021/acs.jpclett.6b00171

10.3866/PKU.WHXB201603141