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学院快讯
吉林大学材料科学与工程学院鄢俊敏教授研究成果在《Joule》上发表
发表于: 2018-04-27 14:58  点击:

418日,材料科学与工程学院、汽车材料教育部重点实验室鄢俊敏教授在Cell刊《Joule》上发表题为“High-Energy-Density Flexible Potassium-Ion Battery Based on Patterned Electrodes”的吉林大学首篇研究论文。

传统化石能源日益枯竭环境污染日益加重的严峻考验下,开发高效、实用、绿色的新能源存储材料与器件是能源领域发展的必然趋势。

钾元素储量丰富,成本低廉,且具有较低的氧化还原电位(-2.92V),钾离子电池体系因此受到越来越多的关注。随着可穿戴电子设备的发展,柔性电池作为柔性电子设备的关键部件也引起了极大的研究兴趣。目前,钾离子电池的研究还处于初期阶段,而柔性钾离子电池的研究仍未见报道。柔性钾离子电池的研究难点在于:(一)缺乏有效的正极活性材料。因钾离子半径较大(0.138 nm反复的嵌入脱出会降低正极活性材料的稳定性,从而导致低容量、低倍率性、及低循环稳定性。(二)缺乏有效的电极制备方法。传统电极采用浆料涂覆的方式,将活性物质负载在金属集流体表面。由于两者之间的黏附力小,电极在弯曲和折叠的过程中涂层容易开裂甚至剥落,难以满足柔性储能器件在机械性能方面的要求。(三)难以获得高的能量密度给与功率密度。柔性器件为了实现柔性,需添加一些粘结、封装、支撑用柔性辅助材料这些材料一般不导电,且没有电化学活性,导致电极导电性下降和质量上升最终降低电池能量密度与功率密度。

针对以上三大难题,鄢俊敏教授团队对柔性钾离子电池进行了探索性的研究。为构建高速稳定的钾离子扩散通道,需设计具有良好结晶性的活性物质以减少离子在其中的扩散内阻,从而提升电极性能。同时,为制备稳定的柔性电极,选择与活性物质具有较强粘附性且轻质的基底作为辅助材料。鉴于以上考虑,鄢俊敏教授团队首次采用简易的光打印方法,使正极活性物质——普鲁士蓝在光照条件下原位在粗糙的宣纸纤维表面生长出纳米单晶。该单晶比低结晶度的普鲁士蓝具有更多规则的孔道结构,从而降低了钾离子在其中的嵌入脱出内阻,提高电极的容量;由于纳米单晶较小的尺寸(100 nm,钾离子在其中的扩散距离短,从而提高了其倍率性能;其次,该纳米单晶结构稳定性高,因此保障了电极的循环稳定性。另一方面,由于普鲁士蓝单晶与宣纸基底之间的黏附性高,在弯曲/折叠的过程中仍能够保持电极的完整性。同时,电极具有自支撑的特性,无需添加粘结剂,实现了电极的导电性与轻量化。基于该柔性电极,鄢俊敏教授团队首次成功构建了柔性钾离子电池,实现了高达232 Wh kg-1的能量密度,且在弯曲、折叠的过程中,电池仍能够保持稳定的电化学性能(Joule, 2018, 2, 736-746)。这种廉价、简易的光打印技术,为制备高性能柔性电极提供了全新的思路,有利于促进柔性电子器件的进一步发展。

除上述工作外,鄢俊敏教授团队结合不同材料的不同使用目的及使用环境,从材料的合理设计、科学制备方面着手,在新型储能材料(储氢、储电等)方面开展了深入的研究,2017年以来,已在国际著名期刊 《Advanced Materials》上发表相关研究成果7篇。

上述的柔性钾离子电池正极材料及其它功能材料的设计理念与制备方法为解决新型储氢及储电材料的动力学问题提供了有益的启示,为发展兼具高效、稳定、安全、绿色可持续的新型储能材料与器件提供了新思路。

以上研究工作得到了国家自然科学基金委优秀青年科学基金和重点项目、国家教育部双一流建设项目、和吉林大学高层次科技创新团队建设项目的资助。

High-Energy-Density Flexible Potassium-Ion Battery Based on Patterned ElectrodesJoule, 2018, 2, 736-746.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118300382

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