东北大学理学院团队在钠离子电池电极材料领域取得重要研究进展


近日,东北大学理学院王淑兰教授团队在钠离子电池(SIBs)负极材料研究领域取得重要进展。该团队首次提出了一种负载高功函金属量子点的莫特-肖特基异质结储钠材料通用制备策略, 深入探究了铜量子点增强肖特基异质结界面电场的作用机制,为提高过渡金属碳化物的钠离子存储能力提供了一种新颖的研究途径,对开发先进的储能器件具有重要意义。该成果《Quantum Dot Heterostructure with Directional Charge Transfer Channels for High Sodium Storage》已在线发表于国际顶级材料期刊《能源存储材料》(Energy Storage Materials, 39, 2021, 278-286)(东北大学理学院博士研究生杨松为本文第一作者),东北大学分析测试中心为本文数据采集、表征工作提供重要支撑。

过渡金属碳化物具有较高的导电性和化学稳定性,被认为是极具发展前景的SIBs负极材料。然而,充放电过程中Na+反应动力学迟缓,活性材料体积膨胀严重,极大地阻碍了SIBs的实际应用。东北大学理学院王淑兰教授通过引入高功函金属量子点构建界面肖特基异质结来提供定向电荷转移路径,进一步拓宽空间电荷区域并增强区域电荷密度,从而实现各项电化学性能均优异的SIBs负极设计。作为概念的证明,该团队研究人员采用双螯合剂配合原位聚合的方法,巧妙合成了嵌有Cu 量子点和Mo2C/MoO2纳米粒子的一维空心管状纳米结构(图一)。得益于金属量子点最大化的金属利用率和肖特基异质结的电荷转移加速作用,该电极在Mo2C基材料中获得了创纪录的容量和倍率性能,并表现出超长循环稳定性;在0.1 A g-1电流密度下其平均放电比容量为376.9 mAh g-1;即使在8 A g-1高电流密度下长循环5000圈其电容保持率仍高达94.6%

1 电极材料的合成路线和微观结构形貌表征


2电荷输运行为与能带结构分析

为了进一步探究Cu 量子点对肖特基异质结的界面调控机制(图2),研究人员对复合材料的电荷输运行为和能带结构进行了详细的分析。其中光致发光测试结果表明Cu 加载后复合材料的电荷转移速率明显增强;肖特基曲线测试结果表明Cu加载后曲线斜率明显降低,材料内部电荷载流子密度得到提升;紫外可见漫反射光谱和X-射线光电子能谱价带谱测试结果表Cu 量子点的引入只改变了电子的流动方向,导致载流子密度和势垒区的能带弯曲,带隙能和价带位置并未发生明显变化。正如量子点加载前后异质结能带结构示意图(图2E)所示,由于定向电荷转移通道的引入,复合材料界面电场得到了显著增强,更多的电子可以快速参与氧化还原反应,提高了电荷转移动力学。此工作立足于解决能源领域的前沿问题,取得的理论创新成果为钠离子电池电极材料提供了一种全新的设计理念,对先进储能/转换材料的商用开发具有重要意义