李运勇教授 ACS Nano：集成双重封装硅结构和致密结构工程助力超高体积和面容量的锂储存- 大数跨境

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李运勇教授 ACS Nano：集成双重封装硅结构和致密结构工程助力超高体积和面容量的锂储存

科学材料站

2022-03-20

导读：本文构建HD-Si@Ti3C2Tx@G电极中Ti3C2Tx MXene和石墨烯构成三维网络结构，可提供优越的三维电子导电网络，且与电解液保持良好的润湿性

文章信息

集成双重封装硅结构和致密结构工程助力超高体积和面容量的锂储存

第一作者：刘仲刚

通讯作者：李运勇

单位：广东工业大学

研究背景

开发高能量密度（高质量和体积能量密度）的储能系统，可满足新型电子设备、新能源汽车和无人驾驶飞机等耗电设备对能源供应的快速发展需求。高理论容量的硅（4200 mAh g^-1）负极在锂离子电池（LIBs）中应用前景广阔。但由于较高的体积膨胀率（~300%）和较差的本征电导率（≈10^-5~10^-3 S cm^-1），通常使用低密度导电碳和纳米硅同时引入来克服上述问题，使得电极结构松散，负载量低，导致较低的体积容量和面容量，限制了Si的实际应用。

研究内容

HD-Si@Ti₃C₂T_x@G电极中Ti₃C₂T_x MXene和石墨烯构成三维网络结构，可提供优越的三维电子导电网络，且与电解液保持良好的润湿性，有效保证厚电极具有良好的电子传输和离子渗透以及结构稳定性，从而有效克服硅基厚电极滞后的离子和电子扩散动力学和结构不稳定的问题。

图1 致密HD-Si@Ti₃C₂T_x@G块体的合成示意图及厚电极的储锂机制示意图

致密HD-Si@Ti₃C₂T_x@G负极（负载：1.3 mg cm⁻²）具有高密度、高导电和双重包覆Si结构，在0.1 A g⁻¹下，其质量比容量可达2892 mAh g^-1，体积比容量可高达5206 mAh cm^-3。在1.0 A g⁻¹电流密度下可循环800圈以上，并保持良好的循环稳定性。厚而致密的双封装Si负极（负载量：14 mg cm⁻²）可呈现17.9 mAh cm⁻²的高面容量。组装的HD-Si@Ti₃C₂T_x@G//NCM811全电池也表现出良好的循环稳定性（0.2 A g⁻¹下循环250圈），证实了良好的实际应用前景。

图2 致密HD-Si@Ti₃C₂T_x@G电极的储锂性能

系统的动力学分析，清晰地揭示该材料优越的体积和面容量性能及高稳定性的原因。归功于Ti₃C₂T_x Mxene和石墨烯的3D导电弹性网络，可确保优异的电子和离子传输动力学，实现快速的电子转移，有效地缓冲Si的体积膨胀，避免了Si的粉碎化，从而获得较高质量比容量和良好的长循环稳定性。此外，MXene的三维亲水性和超小的介孔结构可提供良好的电解液渗透。因此，MXene和石墨烯的协同效应，再加上双封装Si的致密结构，可确保优异的质量和体积锂储存性能。

图3 致密HD-Si@Ti₃C₂T_x@G电极的电化学机理分析

原位透射电子显微镜从微观角度揭示了Ti₃C₂T_x MXene和石墨烯双重封装Si结构在嵌锂/脱锂过程中可有效缓解硅的体积膨胀，实现较小的体积变化。非原位扫描电镜从宏观角度进一步证明，HD-Si@Ti₃C₂T_x@G电极在嵌锂后厚度变化较小，实现极片的结构稳定。

图4 致密HD-Si@Ti₃C₂T_x@G负极的原位TEM图像

文章链接

Zhonggang Liu, Dongzhen Lu, Wei Wang, Liguo Yue, Junlu Zhu, Ligong Zhao, He Zheng, Jianbo Wang, and Yunyong Li，Integrating Dually Encapsulated Si Architecture and Dense Structural Engineering for Ultrahigh Volumetric and Areal Capacity of Lithium Storage, ACS Nano

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c11298.

课题组介绍

广东工业大学材料与能源学院的材料科学与工程学科为广东省“211工程”重点建设学科、广东省攀峰重点学科，具有材料科学与工程一级博士授权点和博士后科研流动站，为全球ESI前1%的学科。课题组的研究工作主要依托广东省功能软凝聚态物质重点实验室、广东省发改委储能材料与器件工程实验室、广东省新能源材料与器件粤港合作基地等平台开展工作。研究团队长期从事超级电容器、锂硫电池和锂/钠离子电池等电化学储能器件的基础与应用研究，特别是在石墨烯和MXene等二维基储能材料的研究领域取得了丰硕的成果，现已建立了完备的扣式和软包电池实验室装配线，并拥有近800平方米的材料制备和性能表征实验室，课题组长期与香港城市大学、香港理工大学、澳大利亚伍伦贡大学、美国马里兰大学等单位进行密切的学术交流与合作。

通讯作者简介

李运勇教授

广东工业大学材料与能源学院教授/博士生导师, 广东省电化学储能电池和太阳能转换与储存材料工程技术研究中心主任, 曾获广东省杰出青年科学基金和青年珠江学者。课题组主要围绕新型石墨烯和 MXene等二维复合能源材料的微纳结构设计、电子结构调控、合成机制研究及其在高效的超级电容器、锂/钠离子电池、锂硫电池等电化学储能和电催化领域开展基础和应用研究，在 Adv. Mater., ACS Nano, Nano Lett., Nano Energy, Appl. Catalysis B-Environ.等国际权威期刊发表学术文章近60篇，其中IF>10 的近30篇，1 篇被《Nature》作专题报道, 单篇最高引用超640次，申请和授权发明专利近30项。主持和合作主持过10余项国家及省部级等课题，包括主持国家自然科学基金项目2项，广东省杰出青年基金项目等，担任广东省材料研究学会青年委员会副秘书长、《Nanomaterials》期刊（IF=5.076）的专刊客座编辑和《Rare Metals》青年编委等学术兼职。

个人学术简介详见：

https://yzw.gdut.edu.cn/info/1147/2690.htm

课题组招聘

课题组长期招收博士后年薪35万元起+奖励

一、研究方向：

（1）高性能锂金属电池、钾离子电池研究；

（2）锂硫电池、超级电容器电极材料研究；

（3）电池材料相关理论计算等

二、申请条件

基本条件：原则上，申请人应在近三年内获得博士学位，品学兼优，身心健康，年龄在35周岁以下。申请人进站后需在广东工业大学全职从事博士后研究工作。博士期间发表较高水平SCI论文2篇及以上。

三、待遇

1. 工资待遇：基础年薪30万元起+奖励（科研奖励：在站期间获得国家基金（含青年基金）或中国博士后科学基金特别资助者，学校一次性发奖励5万元。在站期间获得的高水平科研成果（论文、专利、项目等）奖励按学校相关科研奖励办法给予奖励。

2.国（境）外机构联合培养与交流（带薪）：经本人申请，条件优秀的博士后可以直接申请去境外或国外联合培养。

3.留校工作政策：学校为优秀博士后提供留校优先政策。

详情请见：广东工业大学博士后招聘网站：

https://rscbgb.gdut.edu.cn/info/1052/1002.htm

另外，广东省青年人才引进政策：

(1)广东省“珠江人才计划”海外青年人才引进博士后资助项目。采取“核实认定、不限名额” 的方式，面向全球排名前200（四大排名中任何一个）的高校引进国（境）外博士毕业生来粤从事博士后工作。省财政给予进站博士后每人每年额外30万元生活补贴，资助期限为2年。出站后留在广东省工作的，省财政给予每人40万元住房补贴;

(2)“青年优秀科研人才国际培养计划”。广东省每年资助100名优秀在站博士后科研人员、申请进博士后流动站的应届博士毕业生到国外（境外）高校、科研机构、企业的优势学科领域，合作开展博士后研究工作，每人资助40万元。每年选派200名优秀博士、博士后赴国（境）外开展短期培训和学术交流活动。每年选派100名优秀博士、博士后作为访问学者赴国（境）外访问进修、合作研究，派出时间一般为6至12个月。

四、联系方式

招聘长期有效，有意向者请将个人相关信息（含个人简历及研究成果）发至278589181@qq.com，应聘者请将邮件主题命名为：“姓名-应聘XX”，并在邮件中注明可到岗时间。此外，课题组也常年招收硕士和“申请-考核制”博士生，欢迎有材料、化学和高分子等专业背景的报考。诚挚欢迎有志于在相应研究领域中得到锻炼、做出成果的优秀人才加入我们的团队共同奋斗。