中国科学院深圳先进技术研究院等，CEJ：直立石墨纳米片定向调控传质传荷性能助力高倍率长寿命双离子电池

第一作者：尚林，施碧云，刘贤春

通讯作者：唐永炳*，潘庆广*，窦卫东*

单位：1、中国科学院深圳先进技术研究院；2、绍兴文理学院；3、中国科学技术大学；4、中国科学院大学

双离子电池（DIB）是一种新兴的储能技术，其中负极容纳阳离子，而碳基正极存储阴离子，表现出对阴离子和阳离子的协同氧化还原存储机制。这种方法具有高工作电压、成本低、环境友好等优点。然而，传统的DIBs中的石墨正极阴离子嵌入动力学缓慢，且易造成严重的体积膨胀，限制了DIBs的倍率性能和循环寿命。为解决这些问题，对于石墨结构上的修饰是必不可少的，包括石墨化程度调节、颗粒或孔径优化、层间工程、界面功能化等，旨在通过降低电压滞后以及提高结构稳定性，提高反应动力学和循环寿命。然而，传统球形石墨正极中石墨堆积不规则，加上导电剂和粘合剂的存在，导致电极路径高度弯曲，造就了一个高度复杂的离子传输途径，阻碍电解质进入正极。同时，电荷传输诱导的各向异性电场也会导致阴离子转移的不均匀性，导致反应极化和动力学迟缓。因此，设计一个空间有序的电极对于提高传质传荷效率具有必要性。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳研究员/潘庆广副研究员团队和绍兴文理学院窦卫东教授团队合作在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表了题为“Directional guiding of mass and charge transfer via vertically aligned graphite nanosheets for high-rate and ultralong lifespan Dual-ion batteries”的研究论文。该工作首次提出了垂直石墨纳米片（VGNs）作为双离子电池正极材料，来引导阴离子的定向输运。VGNs拥有垂直排列的层状结构，离子通道短直，能够为阴离子的快速扩散提供均匀的离子梯度和电场。同时，有序的通道缓冲了夹层体积的膨胀，提高了结构的稳定性。最终基于VGNs正极的DIBs实现了高倍率长寿命性能。

高度曲折的路径阻碍了传统球形石墨（TSG）正极内阴离子和电子的均匀迁移，导致反应动力学缓慢。相比之下，VGNs正极具有垂直的开放结构，促进了阴离子从开放边缘向集流体的定向扩散。因此，在这些VGNs内的传质和电荷转移效率显著提高。为了证实快速的阴离子存储动力学和VGNs中电流分布的均匀性，通过COMSOL多物理模拟进行了有限元分析。分析发现阴离子在VGNs中纵向浓度梯度分布均匀，电流密度分布均一，这往往有助于提高阴离子存储性能。

通过对比以TSG和VGNs为正极的双离子电池，探究电化学反应行为。VGNs的赝电容占比更小，扩散动力学更快，这得益于VGNs正极独特的垂直定向结构、缺陷活性位点以及无导电炭黑和粘结剂的特点。VGNs正极的器件串联电阻（Rs）和电荷转移电阻（Rct）均小于TSG正极，表明VGNs正极具有优异的电子导电性和快速的离子转移特性。此外，VGNs正极的阴离子扩散性能明显优于TSG正极。

对基于VGNs和TSG正极的DIBs的电化学储能性能进行了评估。VGNs正极不急实现了优异的倍率性能，在2000 mA g^-1的电流密度下实现了~101 mAh g^-1的高比容量，明显优于其他报道的碳基正极材料（如石墨、膨胀石墨、中碳微珠等）。此外，在300 mA g⁻¹的电流密度下，VGNs正极放电比容量为~220 mAh g⁻¹，库仑效率为~95%，且2000次循环后，其容量仍保持在220 mAh g⁻¹附近，表现出良好的循环稳定性。VGNs正极的这种优异长循环性能主要归因于其生长在集流体上稳定的垂直开放结构，不仅可以缓解阴离子插层体积膨胀，而且可以提供结构稳定性。

Directional guiding of mass and charge transfer via vertically aligned graphite nanosheets for high-rate and ultralong lifespan Dual-ion batteries

窦卫东，绍兴文理学院物理系教授，自2004年8月至今就职于绍兴文理学院。期间2006年2月-2009年3月在浙江大学物理系攻博博士学位，并于2009 年3月获得理学博士学位。2009 年至2014 年期间先后三次在香港城市大学超金刚石与先进薄膜研究中心进修。2014年入选浙江省中青年学科带头人，2016年晋升教授。开展以石墨烯为代表的二维材料制备和生长动力学、有机单晶外延生长和功能器件方面的研究。主持国家和浙江省自然科学基金6项，在《Carbon》、《Nanotechnology》、《Appl. Phys. Lett.》、《J. Phys. Chem. C》、《J. Chem. Phys.》等国内外主流学术期刊上发表学术论文60 余篇。是国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的行评专家和《Carbon》、《Appl. Phys. Lett.》、《J. Phys. Chem. C》等多个学术期刊的审稿人。

潘庆广，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员，深圳市高层次人才。本科毕业于大连理工大学化学工程与工艺（创新实验班），博士毕业于中国科学院大学，主要从事新型储能纳米材料及器件、光（电）催化等研究工作。近年来，主持了国家自然科学基金（青年基金）、科技部重点研发计划子课题、中国博士后科学基金、广东省自然科学基金（面上项目2项）、深圳市自然科学基金（面上项目）等项目，作为主要参与人员，曾参与国自然重点基金、中科院STS项目、中科院先导计划等多个科研项目。相关工作以第一作者/通讯作者发表在Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.，Energy Storage Mater.，Chem. Mater.，Chem. Eng. J.等化学及材料领域知名期刊。申请发明专利，PCT专利及实用新型专利10余项。

唐永炳，中国科学院深圳先进技术研究院碳中和所党支部书记，研究员，博士生导师，碳中和技术研究所副所长、先进储能技术研究中心主任，广东省工程中心主任，深圳市工程实验室主任。获得国家优秀青年基金（2018）和国家杰出青年基金（2021），广东省创新领军人才（2019）、爱思唯尔中国高被引学者（2022），全球前2%顶尖科学家（2022年度及终身），英国皇家化学学会会士，广东省电池行业协会首席科学家&副理事长等。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、JW、中科院、广东省等科研项目20余项。基于新型储能材料及器件研究成果，在Nature Chemistry, Nature Sustainability, Nature Communication, Advanced Materials, Angewandte Chem, Advanced Energy Materials等高水平期刊上发表SCI论文220余篇，IF＞10论文126篇，H指数69，他引>13000次，42篇入选ESI高被引论文。

https://www.siat.ac.cn/jgsz2016/jgdh2016/kybm2016/tzhjsyjs2021/tzhyanjiudanyuan/xjcnjs/zxtd20211001/

   （5）入职后协助申请本人、配偶及其未成年子女调户入深问题；
   （6）在站工作期间计入我院工龄，并可参加先进院职称评定，出站优先留院工作；
   （7）博士后人员与正式员工同等享有年度考核奖金、年终奖金、横向课题奖励、专利申请奖励及伙食补贴等福利待遇；
   （8）工作优秀者直接推荐评副研究员。