IAM研究团队在高电压钾离子电池正极材料和高钾离子迁移率固体电解质的研究方面取得重要进展

发布者:材料科学与工程学院、信息科学与纳米技术研究院 发布时间:2018-10-12浏览次数:767

近日,由南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院、省部共建有机电子与信息显示国家重点实验室培育基地、IAM科研团队成员黄镇东副教授参与的中日国际合作团队日前在长期合作研究的基础上,于高电压钾离子电池正极材料和高钾离子迁移率固体电解质的研究领域取得了突破性的重大进展,成功开发了一类拥有供钾离子快速迁移通道的4V蜂窝状过渡金属碲酸盐(K2/3M2/3Te1/3O2)正极材料和快速钾离子导体。相关研究成果于2018920日正式在线发表在《Nature Communications》杂志上,并被编辑选中于Nature Communications的官方主页上重点报道。该国际合作团队是由日本国立研究开发法人产业技术综合研究所电池技术研究部下属新一代蓄电池研究组组长鹿野昌弘博士、首席高级研究员Hikari Sakaebe博士领导,研究员Masese Titus博士主持,日本立命馆大学生命科学部应用化学科折笠有基副教授和我院黄镇东副教授共同组成。

相对于锂元素,钾资源丰沛、成本低廉的优势正逐渐将钾离子电池(KIBs)推向新型储能技术和器件开发这一国际大舞台的中心,成为无数储能人追求的新目标、孕育的新希望。然而,钾离子电池虽已呱呱坠地,但仍然处于蹒跚学步阶段。与锂离子电池、钠离子电池和锂硫电池一样,钾离子电池的健康成长也需要不断克服许多内在的和外在的缺点和限制,例如钾离子本身半径大、固态迁移动力学缓慢和摩尔质量大等缺点及其衍生的钾离子电池倍率性能差、容量低和循环稳定性差等材料问题。因此,系统研发具有高电压、高钾离子迁移率、高容量和长循环寿命的用于可逆插入大K离子的合适正、负极材料以及其相关储钾机理对于开发高性能的钾离子电池至关重要,亦是恰逢其时。


1. 新型层状蜂窝框架结构材料K2M2TeO6的三维晶体结构示意图


为此,该国际合作团队通过计算化学探索,结合钾基材料相关的广泛矿物和化合物数据库调研,首次设计开发了一系列新型钾基层状蜂窝框架结构K2Ni2TeO6K2Mg2TeO6及其他相关衍生材料。其中,K2Ni2TeO6不仅可在基于双(三氟磺酰基)亚胺钾的稳定离子液体中表现出相对快的钾离子电导率0.01 mS cm-1 (at 298 K),同时实现在高电压下(~ 4 V versus K-ion)钾离子的快速可逆的脱嵌。另外,K2Mg2TeO6573K下展现出超高的钾离子固态迁移率(~ 38 mS cm-1),远远超过大多数目前为止报道的已知的钾离子超离子导体。因此,这项工作的意义在于同时为钾离子电池的研究提供了新的蜂窝结构层状正极材料,实现了迄今为止报告的钾离子电池层状正极材料的最高电压记录,而且还提供了一类新的可以用作固体电解质的快速钾离子导体,用于推进安全的全固态钾离子电池的研究与开发。相关报道详见:

论文题目:

Rechargeable potassium-ion batteries with honeycomb-layered tellurates as high voltage cathodes and fast potassium-ion conductorsNature Communications, 2018, 9, 3823, https://doi.org/10.1038/s41467-018-06343-6;

(1)https://www.nature.com/articles/s41467-018-06343-6

(2)https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2018/pr20180920/pr20180920.html

(3)http://www.ritsumei.ac.jp/news/detail/?id=1168

此外,IAM团队与折笠有基副教授、Masese Titus博士等国际友人保持长期的合作关系,共同致力于通过新材料的开发、新结构的设计、研制和调控来解决高能力密度锂离子电池、钠离子电池、镁离子电池和钾离子电池所面临的关键科学问题,获得了许多重要的研究成果,相关成果分别发表于储能领域权威的高水平学术期刊上,例如:

(1)从原子和水分子结构水平设计和调控材料的晶体结构,成功共同开发了一系列镁离子和锂离子电池的新型正极材料,相关代表性工作先后发表于J. Mater. Chem. A, 2014,2, 11578-11582(被引24次);Scientific Reports, 2014, 4, Article number: 5622, DOI: 10.1038/srep05622 (被引109)RSC Adv., 2015, 5, 8598-8603 (被引14次); Phys. Chem. Chem. Phys., 2016,18, 13524-13529(被引8次); Energy Storage Materials, 2016, 5, 205-213(被引8次)。

(2)利用化学原位自组装方法,结合界面调控,原位构建三维电子和离子迁移的快速迁移的通道,获取了解决制约高能量密度过渡金属氧化物和过渡金属负极材料所面临的关键科学问题的一系列新方法,开发了一系列新型高性能锂离子和钠离子电池负极材料。相关代表性工作发表于J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 20886-20891(被引11次);Energy Storage Materials, 2016, 3, 36-44; Mater. Chem. Front., 2017, 1, 1975-1981; Nano Energy, 2017, 33, 325-333; Energy Storage Materials, 2018, 13, 329-339;Science China Materials, 2018, 61(8),1057–1066;Nano Energy, 2018, 51, 137-145