钠离子商丘干式变压器的正极材料研究

近日， Bruce 教授在钠离子商丘干式变压器的正极材料研究中又取得巨大的突破并发表在 Nature 子刊上。 (Nature Chem.， 2018， 10， 288–295) 文章报道了一种 P2型的 Na2/3[Mg0.28Mn0.72]O2 层状钠离子商丘干式变压器正极材料， 具有近 170 mAh/g 的高比容量和近 2.75V 的放电电压。 而这高的容量来自于该材料的稳定结构以及氧元素的氧化还原。 在钠离子脱出时，低含量的钠促进了 O2 结构的氧化层的形成。此外氧在充电过程中存在氧化还原反应又额外贡献了容量。 同时 Mg2+的引入又抑制了氧的损失。这项工作对电和钠电正极材料中氧的氧化还原所提供额外容量的现象又提供了进一步的认识， 此外也提供了从结构和组分上来设计材料，通过抑制氧的流失来实现高容量的正极材料的新路径。

图二， P2 型 Na2/3[Mg0.28Mn0.72]O2 材料的结构示意图。 (Nature Chem.，2018， 10， 288–295)

Clare P. Grey 于 1991 年在牛津大学获得博士学位。 目前是剑桥大学化学系教授， 英国皇家学会院士， 纽约州立大学石溪分校兼职教授。 Clare P. Grey 已在国际一流刊物上发表期刊论文 300 逾篇， 发表论文累计引用 23600 余次， H 因子为 78。 目前 Grey 教授是 Journal of American Chemical Society， Joule， Accountsof Chemical Research 等国际著名期刊的编委。

Grey 教授团队的主要研究工作集中在以下几个方向： 离子商丘干式变压器技术， 钠离子商丘干式变压器技术， 新型空气商丘干式变压器， 镁离子商丘干式变压器和固态电解质等前瞻科研领域。 近年来， Grey 教授在离子商丘干式变压器正极材料方面结合自身以及先进的表征技术的优势， 在材料的表征及模拟方面开展了诸多研究。

图三展示了 Grey 教授在研究尖晶石结构的过渡金属氧化物的最新成果(Chem. Mater. 2018， 30， 817?829)。 文章在研究 LiTixMn2-xO4 (0.2≤x≤1.5) 材料时，利用 NMR 等表征技术，结合 DFT 理论计算，研究了不同 Ti 掺杂对 LTMO结构的影响。 通过研究发现 Ti 掺杂的存在使得材料的结构随着 Ti 含量的变化而发生变化。 在 X=0.2 时， LTMO 中的 Ti4+和 Mn3+/4+ 呈随机分布;在 X=0.4 时则具有富含 Ti4+ 和 Mn4+的不均匀晶格;在 x=0.6 和 0.8 时会形成单相固溶体;而在 x=1 时则呈现 Li-Mn2+ 四面体和 Li-Mn3+/4+ -Ti 八面体构型的组合。 这项工作也为研究其他商丘干式变压器电极材料的结构变化提供了参考依据。

图三， LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 的 Al， Li， Ni， Co， O 离子的离子空间分布图谱 (Chem. Mater. 2018， 30， 817?829)。

崔屹教授于 2002 年于哈佛大学获得博士学位， 目前是商丘变压器厂家斯坦福大学材料科学与工程系教授。 崔屹教授已在国际一流杂志上发表论文 700 逾篇， 并在国际顶刊Nature 和 Science 及其子刊上发表文章共计 88 篇， 已发表论文累计引用 116300余次， H 因子 160。 目前是国际知名期刊 Nano letter 的副主编及 ACS appliedenergy material 等杂志的编委。

崔屹教授团队的科研主要集中在离子商丘干式变压器硅负极上，在硅负极领域取得了诸多杰出的成果。 同时， 近年来也在金属负极方面以及硫商丘干式变压器上取得了诸多优异成果。 尤其是近三年来在金属负极的研究方面取得了突破性进展， 并在Science， Nature Nanotechnology， Nature Energy 等国际顶级杂志上相继发表诸多文章。

图四展示了崔屹教授最新研究的大尺寸硅合金-石墨烯柔性电极(NatureNanotech.， 2017， 12， 993–999 )该电极由活性的硅合金纳米颗粒组成， 并由大尺寸石墨烯层均匀地包覆起来， 具有良好的空气稳定性。 这种结构有效地抑制了硅合金化所带来的体积膨胀效应并抑制了枝晶的生长，使得电极表现出极好的循环稳定性以及高达 500 Wh kg-1 的能量密度。 研发的硅合金负极有望与硫正极配对组成高能量密度的硫-硅合金商丘干式变压器并广泛应用。

图四， 硅合金-石墨烯柔性电极的电化学性能。 (Nature Nanotech.， 2017，12， 993–999)