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青岛能源所开发出兼具锂、钠、钾优异存储性能的三维硅取代石墨炔

撰稿: 青岛生物能源与过程研究所 发布时间:2021-11-12
  随着电动汽车的快速发展,高容量、高稳定性的可充电电池受到了公众的广泛关注。为了开发新型高效电池,探索新型电极材料被认为是最有前景的途径之一。目前已经有许多材料如石墨烯、石墨炔、COFs、MOFs、聚合物、金属配合物等,作为有潜力的电极材料被开发研究。然而,对于不同种类的碱金属如锂(Li)、钠(Na)和钾(K),由于这些离子的直径和性质不同,很少有材料可以同时适应并作为锂离子电池(LIBs)、钠离子电池(NIBs)、钾离子电池(KIBs)的电极材料。通过对材料的化学成分和空间构型进行预先设计,使其具有丰富的存储空间和有效的扩散路径,将会是实现开发制备多功能储能材料的有效途径。
  近日,青岛能源所黄长水研究员,与中科院化学研究所李玉良院士合作,开发制备了一种硅原子取代的三维石墨炔材料硅-钻炔(Si-DY),这种硅取代石墨炔材料具有明确的骨架构造,是由sp3杂化的Si原子通过直线型丁二炔键链接构成稳定的三维多孔类金刚石骨架。在前期石墨炔类材料的合成开发研究基础上(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3968; Nat. Commun. 2017, 8, 1172; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 10740; Energy Environ. Sci. 2018, 11, 2893; J. Mater. Chem. A 2019, 7, 11186; Appl. Catal. B Environ. 2020, 261, 118234),碳基材料与能源应用研究组工作人员通过四乙炔基硅烷在铜箔表面发生的交叉偶联反应,制备得到的具有三维类金刚石骨架构造的硅取代石墨炔类材料。所制备的Si-DY具有大量的炔键,丰富多样的三维孔道构造和良好的导电性。类金刚石骨架不仅能够保证Si-DY的化学结构稳定性,同时,其均匀的多孔构造也为碱金属离子的扩散提供了优质的通道。这些特点确保Si-DY在多功能负极方面具有巨大的应用潜力。
  通过固体核磁、扫描电镜、透射电镜、拉曼、红外、X射线光电子能谱、同步辐射等表征,结合理论计算模拟,证实了Si-DY的三维精确骨架结构。研究发现,Si-DY本身具有大量的炔键和分层级的孔洞构造,能够提供丰富多样的离子存储位点和传输通道,在碱金属离子如Li、Na、K的存储方面均表现出了优异的性能。理论计算表明, Si-DY的Li、Na、K理论存储容量分别为3674, 2810, 1945 mA h g-1,同时,在实验中也得到了高达2350, 812, 512 mA h g-1的Li、Na、K实际比容量,表明三维多孔的Si-DY在实际储能方面具有巨大的应用优势。在与其他众多碳基材料甚至是硅基材料比较之下,Si-DY作为多功能负极在电池中展现了包括超长循环稳定性和卓越倍率性能的优秀电化学存储表现(如图所示)。
  该成果已发表于国际能源领域知名期刊Advanced Energy Materials上。论文第一作者为杨泽,通讯作者为黄长水研究员和李玉良院士。该研究得到了国家自然科学基金优秀青年基金项目,中科院前沿重点项目,山东省自然科学基金的支持。
图 1. 多功能Si-DY负极在三种电池应用中的表现和与其他材料性能的比较
  原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101197
  Ze Yang, Yuwei Song, Chunfang Zhang, Jianjiang He, Xiaodong Li, Xin Wang, Ning Wang, Yuliang Li, Changshui Huang, Advanced Energy Materials, 2021, 2101197.