【儀表網 研發快訊】近日，山東大學化學與化工學院徐立強教授團隊在高性能新型二次電池領域取得系列進展，相關成果發表在Angew. Chem., Adv. Funct. Mater.等國際期刊。相關成果為多級儲能材料的可控制備、晶面擇優設計，電極反應動力學調控和反應路徑的定向重構提供了新的研究思路，為開發高能量密度、高能量效率以及長循環壽命的新型二次電池提供了重要參考。
 

圖1 碳酸根陰離子重構Bi電極電化學氧化還原路徑機理研究
 

　　進展一：目前，傳統二次電池在陽離子作為電荷補償載體和主導電極電化學行為的研究上取得了重大進展。然而，陰離子在電極反應過程中也同樣扮演著重要角色，顯著影響著儲能器件的電化學性能。徐立強教授團隊受到生活中CO2可以促進金屬氧化速率的啟發下，提出了一種陰離子化學(以碳酸根陰離子為例)調控策略，通過重構Bi基金屬電極的氧化還原路徑，降低了Bi(0) — Bi(Ⅲ) 的反應活化能，提升了堿性Zn||Bi電池的電化學反應動力學，同時激活了其自充電潛能。此外，該陰離子調控策略還可推廣至Cl-基儲能體系，采用海水作為電解質組裝可自充電的海水電池。相關成果以“Anionic Chemistry Modulation Enabled Environmental Self-Charging Aqueous Zinc Batteries: The Case of Carbonate Ions”為題發表在國際期刊Angew. Chem.上。化學與化工學院博士研究生渠廣猛、博士后王璐、2021級本科生趙永正為論文共同第一作者，徐立強教授為通訊作者，山東大學為第一單位和通訊單位。
 

圖2 雙腔金屬硼化物納米反應器設計及作用機制
 

　　進展二：鋰硫電池因其高能量密度而成為最有前途的新型二次電池系統之一。催化Li2S的形成轉化過程被認為是提高鋰硫電池動力學的關鍵途徑，但鋰硫電池存在復雜的催化轉化體系，如何利用催化劑實現硫的分級催化行為至關重要。該團隊報道了一種新型串聯的納米反應器，通過適當調控前驅體系統和反應動力學，改變離子濃度調控了催化劑的微/鈉結構，為實現鋰硫電池中的分級催化行為提供了新契機。相關成果以“Manipulating Atomic-coupling in Dual-cavity Boride Nanoreactor to Achieve Hierarchical Catalytic Engineering for Sulfur Cathode”為題發表在國際期刊Angew. Chem.上。化學與化工學院博士后王斌為論文第一作者，徐立強教授為唯一通訊作者，山東大學為第一單位和通訊單位。
 

圖3 BCO/FOB-50復合材料形成機制及長循環穩定性
 

　　進展三：納米材料的物相結構調控已成為材料化學領域的熱點之一，其中與材料晶面取向生長相關的應用得到越來越多的關注。現有的關于材料晶面取向生長的策略主要局限于金屬單質材料或二元化合物材料，研究調控由多元素組成的化合物材料的晶面取向生長對于滿足多樣化應用需求具有突出的科學意義和發展潛力。該團隊基于α-Fe2O3與(BiO)2CO3(BCO)的特定晶面適配，調控BCO中{010}晶面組的取向生長，構筑了無定型氧化鐵與結晶相BCO復合的納米顆粒結構(FOB-50)，實現了BCO結晶相中{010}晶面組取向生長且(040)晶面占據主導，并可普適性地與還原氧化石墨烯等材料均勻復合。基于FOB-50的電極由于其獨特的結構使其在鉀離子電池中展現出了出色的長穩定循環性能。該工作豐富了鉍基納米材料晶面生長調控的方法學，為堿金屬電池電極材料的優化設計提供了新思路。相關成果以“Controllable growth of crystal facets enables superb cycling stability of anode material for potassium ion batteries”為題發表于材料領域國際期刊Adv. Funct. Mater.上。博士后王璐為論文第一作者，徐立強教授為唯一通訊作者，山東大學為第一單位和通訊單位。
 

圖4 鈉離子電池負極材料充放電機理探索
 

　　進展四：過渡金屬硒化物(TMSes)因其較高的理論放電比容量而被認為是鈉離子電池(SIBs)負極的理想候選材料。該研究團隊利用簡便的溶劑熱法結合硒化和碳化的策略設計了一種 CoSe/MoSe2 異質結構與均質碳的復合材料構建了超穩定的鈉離子電池。動力學分析和理論計算證實，異質表面工程誘導的內置電場效應可以放大 Na+ 擴散動力學，而碳的加入有助于增強導電性和結構穩定性。該工作為利用工程異質結構和引入均質碳來設計鈉離子電池的高效負極提供了一種前瞻性方法。該成果以“Heterostructure Interface Construction of Cobalt/Molybdenum Selenides toward Ultra-Stable Sodium-Ion Half/Full Batteries”為題發表在國際期刊Adv. Funct. Mater.上。徐立強教授為共同通訊作者，山東大學為共同通訊單位。
 

　　上述研究得到國家自然科學基金、山東省重大基礎研究計劃、山東大學杰出中青年學者基金等項目的資助和支持。山東大學結構成分與物性測量平臺為材料結構解析提供了重要支持。