杜菲教授课题组Advanced Materials：晶相调控策略构筑高体积比容量无碳电极- 大数跨境

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杜菲教授课题组Advanced Materials：晶相调控策略构筑高体积比容量无碳电极

科学材料站

2021-04-12

导读：本文报道了利用超导四方相FeSe材料（t-FeSe）室温金属导电性来构建高性能无碳电极，进而大幅度提升电极体积比容量的创新策略。

文章信息

晶相调控策略构筑高体积比容量无碳电极

第一作者：张璐，魏芷宣

通讯作者：杜菲*

单位：吉林大学

研究背景

伴随着人们对轻量化、小型化先进可充电池需求的日益增长，储能器件体积能量与功率密度等关键指标比以往受到了更多的关注。如何开发具有高体积比容量、高密度的新型负极材料也已成为当前研究的热点和重点。

众所周知，电极内部反应是涉及离子和电子协同传输与存储的复杂过程，若想获得优异的性能，电极材料应是电子和离子的良导体。然而，当前的电极材料大多都是半导体，电子导电率偏低，在电极的设计中需要引入大量碳材料作为导电助剂以构建电子传输网络。但是，碳材料本身的振实密度极低，会严重降低电极的体积能量密度。

因此，祛除电极结构中的碳组分，构建不需要导电助剂的无碳电极是提升负极体积比容量，进而解决目前钠离子电池体积比容量低的关键手段。为了构建高性能的无碳电极，通过晶相调制等策略寻求具有本征高导电性的新型负极活性材料至关重要。

文章简介

基于此，吉林大学杜菲教授课题组报道了利用超导四方相FeSe材料（t-FeSe）室温金属导电性来构建高性能无碳电极，进而大幅度提升电极体积比容量的创新策略。研究成果以“Polymorph Engineering for Boosted Volumetric Na-Ion and Li-Ion Storage”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

图1.四方相t-FeSe材料为金属性，室温电导率高达103 S cm-1

本文要点

要点一：晶相调控策略构建无碳电极

t-FeSe是一种具有金属性电导率的超导材料，在室温下电子电导率高达103 S cm-1。研究者利用其优秀的电子输运能力构建了不需要导电助剂的无碳电极。

得益于无碳电极内部良好的电子输运，其电化学性能显著优于半导体六方FeSe（h-FeSe）。

要点二：无碳电极实现高体积比容量

在祛除低振实密度的导电碳材料后，无碳电极的密度大幅提升，并在钠离子电池体系中实现了高达1011 mAh cm-3的体积比容量。

此外，令人印象深刻的是，得益于去除了具有大比表面积的导电碳，并且降低了电化学非活性的粘结剂含量，无碳电极实现了高达96.7 wt.%的活性材料利用率和超高的首次库仑效率（96%），这远优于当前报道的钠离子电池负极材料。

要点三：无碳电极具有可推广性

本文还将无碳电极策略推广到了锂离子电池体系，无碳t-FeSe电极在锂电体系中的体积能量密度高达1373 Wh L-1，功率密度达到7200 W L-1。

结论

本论文首次提出了一种通过无碳电极设计提升电池体积比容量的策略，利用金属性FeSe材料的高电导率，构建了不需要任何导电助剂的无碳负极，将电极的活性物质利用率由70%提升至96.7%。

材料的高导电性确保了电极内部良好的电子输运，实现了优越的电化学性能。更为重要的是，得益于无碳电极结构的高密度，FeSe电极的体积比容量大幅度提升至1011 mA h cm-3。

此外，由于无碳电极去除了导电碳并降低了粘结剂比例，抑制了首次放电过程中的副反应，进而实现了高达96%的首次库伦效率。随后，研究者将其推广到了锂离子电池体系，同样实现了高体积能量密度。这种设计策略简便易行，具有可推广性，为储能电池体系体积能量密度的提升提供了新的方案。

文章链接

Polymorph Engineering for Boosted Volumetric Na-Ion and Li-Ion Storage

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100210

通讯作者介绍

杜菲，吉林大学唐敖庆特聘教授卓越B岗，博士生导师，吉林大学物理学院副院长，新型电池物理与技术教育部重点实验室主任，中国化工学会第二届储能工程专业委员会委员、InfoMat杂志青年编委。

2008年获得吉林大学材料科学与工程博士学位，师从陈岗教授，同年留校任教。2009年至2011年在超硬材料国家重点实验室从事博士后研究，合作导师为中科院院士邹广田教授。2011年至2013年赴日本东京大学物性研究所从事博士后研究，合作导师为日本著名固态化学家Yutaka Ueda教授。2017年1月至2月受德国卡尔斯鲁厄理工学院教授Helmut Ehrenberg教授邀请赴德开展合作研究。杜菲教授长期从事能源物理研究，围绕着“探索新机理-设计新材料-构筑新器件”这一主线开展工作，特别是在新一代储能器件的开发、能量存储与转换过程中的材料理性设计和载流子传输机制等方面，取得了创新研究成果；在包括Nature Communications，Physical Review Letters，Advanced Materials，Advanced Energy Materials等国际著名杂志发表论文150余篇。曾获吉林省自然科学一等奖，唐敖庆青年教师奖励基金，2018年Journal of Materials Chemistry A杰出审稿人。

第一作者介绍

本文第一作者为吉林大学物理学院2018级博士研究生张璐和魏芷宣博士