近日，吳興隆教授團(tuán)隊在先進(jìn)電池材料領(lǐng)域取得系列研究進(jìn)展。團(tuán)隊設(shè)計開發(fā)了兼顧高性能和高應(yīng)用性的鈉離子電池材料，完成了相關(guān)電極材料的小試開發(fā)，有望助力鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。研究成果陸續(xù)發(fā)表在《材料科學(xué)進(jìn)展》（Progress in Materials Science）、《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）、《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）、《今日材料》（Materials Today）、《尖端科學(xué)》（Advanced Science）和《能源化學(xué)》（EnergyChem）等學(xué)科頂級學(xué)術(shù)期刊上。
針對鈉離子電池聚陰離子型正極材料，提出晶格高熵化設(shè)計理念，開發(fā)了高熵氟磷酸鹽正極材料，實(shí)現(xiàn)了工作電壓和能量密度的提升。該高熵氟磷酸鹽不僅抑制了原有低壓區(qū)的相變反應(yīng)，還提升電子電導(dǎo)率、降低遷移能壘，使其表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。研究提出的高熵策略填補(bǔ)了固定晶格中活性過渡金屬中心電壓不可調(diào)的空白，印證了高熵策略對于設(shè)計新型正極材料的重要性，為開發(fā)下一代先進(jìn)電極材料提供了新的思路。該成果以“Advanced High-Entropy Fluorophosphate Cathode for Sodium-ion Batteries with Increased Working Voltage and Energy Density”為題，發(fā)表于材料類國際頂級期刊Advanced Materials（2022, 34 (14), 2110108），并被遴選為封面文章，入選ESI熱點(diǎn)和高被引論文。論文第一作者為物理學(xué)院博士生谷振一。
在聚陰離子型正極材料中構(gòu)建異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，發(fā)揮各異質(zhì)組分的協(xié)同提升效應(yīng)，設(shè)計了新型Na3V2(PO4)3-Na3Fe2(PO4)(P2O7)異質(zhì)復(fù)合磷酸鹽正極，為利用復(fù)合結(jié)構(gòu)工程開發(fā)先進(jìn)聚陰離子型正極材料提供了理論依據(jù)。同時，為了改善磷酸鹽正極的導(dǎo)電性，引入項鏈狀雙碳導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，顯著提升了電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)成果分別以“Heterogeneous NASICON-type composite as low-cost, high-performance cathode for sodium-ion batteries”和“ Pearl-Structure-Enhanced NASICON Cathode Towards UltrastableSodium-Ion Batteries”為題，發(fā)表于材料類國際著名期刊Advanced Functional Materials（2022, 32(52), 2209482）和Advanced Science（2023, advs.202301308）上。兩篇論文的第一作者分別為物理學(xué)院青年教師郭晉芝和化學(xué)學(xué)院博士生趙欣欣。
為了促進(jìn)磷酸正極材料在鈉離子全電池中安全、穩(wěn)定地應(yīng)用，采用纖維素基隔膜（CP）與碳酸聚丙烯（PPC）浸漬固化的方法制備了纖維素基復(fù)合隔膜（CP@PPC）。在PPC的輔助下，CP@PPC隔膜能夠在高達(dá)4.95 V的電壓下穩(wěn)定運(yùn)行，其“孔道-跳躍”離子遷移機(jī)制在提供額外Na+遷移路徑的同時，也促進(jìn)了Na+的高效遷移。匹配的基于CP@PPC隔膜的全電池表現(xiàn)出良好倍率和優(yōu)異循環(huán)性能，在2C下循環(huán)500次后的容量保留率仍達(dá)96.97%。在特定應(yīng)用情景下，該隔膜仍舊能耐受折疊、彎曲和極端溫度等苛刻條件，使高安全性鈉離子電池有望靈活應(yīng)用于下一代儲能系統(tǒng)。相關(guān)成果以“"Pore-Hopping" Ion Transport in Cellulose-Based Separator Towards High-Performance Sodium-Ion Batteries”為題，發(fā)表于國際知名期刊Angewandte Chemie International Edition（2023, 62 (15), e202300258）上，并被遴選為VIP和封面文章。論文第一作者為物理學(xué)院博士生楊佳霖。
在磷酸鹽正極等先進(jìn)電池材料領(lǐng)域取得系列研究成果受到了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注，應(yīng)邀撰寫了多篇高水平綜述論文。針對鈉離子電池聚陰離子型正極材料開發(fā)過程中涉及的先進(jìn)表征技術(shù)，從結(jié)構(gòu)、形貌、組成以及充放電過程中的原位/現(xiàn)場表征技術(shù)等方面，詳細(xì)討論了每種技術(shù)的檢測機(jī)理、應(yīng)用范圍、可獲得的信息和局限性，總結(jié)了這些技術(shù)在聚陰離子型材料表征中的最新進(jìn)展，并提出了具體且實(shí)用的研究方向。先進(jìn)表征技術(shù)對于理解電極材料的反應(yīng)機(jī)理具有至關(guān)重要的作用，可以為設(shè)計高性能聚陰離子型正極材料和進(jìn)一步優(yōu)化鈉離子電池的電池系統(tǒng)提供重要的指導(dǎo)原則。該成果以“Emerging characterization techniques for delving polyanion-type cathode materials of sodium-ion batteries”為題，發(fā)表于材料類國際著名期刊Materials Today（2023, DOI: 10.1016/j.mattod.2023.03.020）。論文的第一作者為青年教師郭晉芝。二維過渡金屬碳（氮）化物MXene作為一類新型二維納米材料，具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)而得到了廣泛關(guān)注和研究。其與碳材料協(xié)同整合而開發(fā)的MXene/碳復(fù)合材料更是為電化學(xué)儲能、光/電催化水分離、電磁波吸附、傳感等領(lǐng)域帶來了更多的應(yīng)用機(jī)會。對MXene/碳復(fù)合材料進(jìn)行全面的總結(jié)，包括設(shè)計原理、合成路線，以及兩種成分之間的內(nèi)部關(guān)聯(lián)性，分析和闡述了MXene基復(fù)合材料與多維碳材料的紋理特征和結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，指明了MXene與不同維度碳質(zhì)基體進(jìn)行雜化的潛在挑戰(zhàn)和研究前景，為MXene基復(fù)合材料的應(yīng)用提供了啟發(fā)。相關(guān)成果以“Two-dimensional MXene with multidimensional carbonaceous matrix: A platform for general-purpose functional materials”為題，發(fā)表于材料學(xué)科的國際著名期刊Progress in Materials Science（2023, 135, 101105）。論文第一作者為物理學(xué)院青年教師曹峻鳴。水系離子電池具有高安全性和環(huán)境友好性的特點(diǎn)，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域顯示出明顯優(yōu)勢，是一種具有高功率密度和長壽命的綠色電池技術(shù)。與傳統(tǒng)的金屬離子存儲過程相比，質(zhì)子載體的非常規(guī)存儲機(jī)制而較少受到關(guān)注。但其獨(dú)特的工作機(jī)制和特性，使得質(zhì)子電池展現(xiàn)出優(yōu)異的低溫電化學(xué)性能并能兼顧高成本效益，可發(fā)揮水系儲存技術(shù)的廣闊應(yīng)用潛能。從電極材料、電解質(zhì)和集流體的角度，對水系質(zhì)子電池的發(fā)展進(jìn)行全面的總結(jié)，包括相應(yīng)的設(shè)計原理和儲能機(jī)制，在闡明水系質(zhì)子電池發(fā)展現(xiàn)狀的同時，指出了亟待解決的問題與挑戰(zhàn)，為下一步研究提供了思路和科學(xué)依據(jù)。相關(guān)成果以“Advanced aqueous proton batteries: working mechanism, key materials, challenges and prospects”為題，發(fā)表于能源類新興期刊EnergyChem（Cite Score = 33.4; 2022, 4 (6), 100092）。論文第一作者博士生楊佳霖。
上述工作得到國家自然科學(xué)基金重大研究計劃（91963118）和面上項目（52173246）、吉林省中青年科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)卓越人才（團(tuán)隊）項目（20220508141RC）和相關(guān)企業(yè)橫向課題的資助。
