大连理工大学Small:一种沥青基纳米碳纤维负载氮氧化铬纳米粒子做为金属锂负极

煤基功能碳材料研究取得新进展

随社会经济的快速发展,非化石能源在新能源体系中的比例逐渐提高。2020年9月22日,习近平总书记在第75届联合国大会上,阐述了中国控制二氧化碳温室气体的战略,到2060年实现碳中和的目标,届时非化石能源在我国能源中的比例预期达到84%。要实现这一宏伟目标,开发新能源技术愈发迫切。以钠/钾离子电池为代表的高性能低成本新型二次电池,是新能源技术研发的关键和重点领域之一,其核心是新结构高性能电极材料的设计及可控制备。我国煤炭资源丰富,如何以廉价的煤炭及其衍生物为前驱体,创制新结构功能碳材料,对于开发高性能电化学储能器件、实现煤炭精细化高值利用有重要意义。

煤炭的精细化高值利用事关中国经济的绿色化可持续发展,围绕这一目标,邱介山教授团队持之以恒地开展了系统深入的研究。他们以低阶煤和煤系沥青为原料,基于芳烃分子剪裁与修饰方法,结合控制碳化技术,创制了一系列高性能钠/钾离子电池负极材料,成果陆续在能源化工、碳材料科学与技术等一流期刊上发表:Carbon 2018135, 187-194; Chem. Eng. J. 2018342, 52-60; Carbon 2020162, 431-437; Chem. Eng. J. 2020382, 121759。在前期工作基础上,最近,他们研究建立了一种沥青基纳米碳纤维负载氮氧化铬纳米粒子的合成技术,用做金属锂负极显示出优异的性能,相关工作以全文形式发表于Small, 20202003827, DOI: 10.1002/smll.202003827.

大连理工大学Small:一种沥青基纳米碳纤维负载氮氧化铬纳米粒子做为金属锂负极

在这个新技术中,异质晶种修饰的纳米碳纤维膜材料可以降低成核能垒,进而诱导金属锂的均匀沉积。纳米晶种的物理稳定性和化学反应性是保证锂金属电池长循环稳定性的前提和基础。该研究以煤沥青为添加剂,调控纳米碳纤维微晶的结构和杂原子含量与分布,进而诱导氮氧化铬(CrO0.78N0.48 )纳米粒子在碳纤维表面的原位均匀生长;氮氧化铬纳米晶种具有低的带隙和独特的电子结构,有优异的亲锂性、高离子/电子电导率和丰富的电化学活性位。以该材料作为金属锂负极,呈现出典型的纳米晶种诱导成核机制,实现了金属锂的无枝晶均匀沉积,在1 mA cm-1电流密度及小于15 mV的过电势下,稳定循环1000 h未见明显极化。

文章第一作者为大连理工大学博士研究生肖剑,通讯作者为肖南副教授和邱介山教授,工作得到国家自然科学基金项目(U1508201)及中央高校基本科研业务费(DUT20LAB131)的支持。

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