都柏林圣三一学院Jonathan Coleman教授、田瑞源博士 AEM突破性成果：二维材料实现超高面积比容量锂离子电池- 大数跨境

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都柏林圣三一学院Jonathan Coleman教授、田瑞源博士 AEM突破性成果：二维材料实现超高面积比容量锂离子电池

科学材料站

2020-12-28

导读：该文章报道了液相剥离的SnP3纳米片与碳纳米管组成的超厚复合膜，其半电池和全电池分别实现了40 和29 mAh cm−2的超高面比容量，而且全电池的体积能量密度接近记录值1000 Wh L−1。

文章信息

液相剥离的SnP3纳米片实现超高面积比容量的锂离子二次电池

第一作者：田瑞源*

通讯作者：Jonathan Coleman*

单位：爱尔兰都柏林圣三一学院（Trinity College Dublin）

研究背景

二维材料由于比较高的理论容量，被认为是一种性能优异的能源存储材料。然而之前的研究已经证明，由于较高的长径比导致较低的离子迁移率，目前二维材料的倍率性能并不比非二维材料的更好（ACS Nano 2020, 14, 3, 3129–3140）。而且已报道的基于二维材料电极膜的电池，绝大多数面积比容量远小于商业电池的4 mAh/cm2，较低的能量密度严重制约了其应用前景。

所以，研究理论比容量较高的二维材料，并且其复合电极膜，在极厚的情况下，依然能展示出优异的性能，是提升体积能量密度的关键。这不仅要求该较厚的电极膜具有优异的力学性质，而且有着良好的电子传导和离子输运特性。

文章简介

近日，来自爱尔兰都柏林圣三一学院的Jonathan Coleman教授与田瑞源博士，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Liquid Exfoliated SnP3 Nanosheets for Very High Areal Capacity Lithium-Ion Batteries”的研究文章。

该文章报道了液相剥离的SnP3纳米片与碳纳米管组成的超厚复合膜（>300 μm）,可在活性材料（SnP3）比容量接近理论容量（=1670 mAh g−1Active）的情况下，其半电池和全电池分别实现了40 和29 mAh cm−2的超高面比容量，而且全电池的体积能量密度（考虑电极膜、集流体和隔膜的总体积）接近记录值1000 Wh L−1。

图1. 液相剥离的SnP3 纳米片，及其与碳管的复合膜的形貌，以及全电池体积能量密度。

本文要点

要点一：液相剥离SnP3纳米片及粒径筛选

SnP3块体材料，通过超声在NMP溶剂中进行液相剥离，然后通过离心分离对分散液进行粒径筛选。而通过XRD、TEM、SEM、EDX、Raman、AFM等技术手段对块体和剥离的材料就行了表征，分析结果显示剥离并分离出了长径比相对较低的纳米片。

要点二：碳管含量对半电池性能的影响

通过对不同含量碳管的电极膜进行研究，发现当碳管含量达到25wt%及以上时，活性材料的比容量（Q/MActive）可达到理论容量1670 mAh/g。但是，当碳管含量高于25wt%时，整个电极膜的比容量（Q/MTotal）则开始下降。电极膜SnP3纳米片/25wt%CNT（Q/MT ≈ 1250 mAh g−1）是容量和倍率性能最优的点。

要点三：高面积比容量半电池性能

为了获得高面积比容量，电极膜的担载量从3.4 mg cm−2 (膜厚度8 μm)一直增加到 43.2 mg cm−2 (膜厚度314 μm)，而面积比容量则达到了40 mAh cm−2，这是迄今为止二维材料最高的面积比容量。并且，半电池的循环性能也好于之前所报道的面积比容量最高的二维材料。

但是，需要注意的是，这些优异的性能只能在SnP3纳米片/CNT 复合膜中实现。并且成膜过程中二维纳米片的退化进一步降低了长径比。这充分说明了，电极膜的形貌和结构对电池的性能影响很大，特别是对于厚电极膜而言。总之，无论是面积比容量、循环性能，还是倍率性能，SnP3纳米片/CNT复合膜都是非常优秀的。

要点四：全电池的性能

为了充分研究SnP3纳米片/CNT复合电极膜在电池应用方面的可行性，该文章进一步研究了以NCA/CNT作为正极，SnP3纳米片/CNT复合电极膜作为负极的全电池的性能。正负极电极膜总的担载量(包括CNT)高至 225 mg cm−2的全电池，其面积比容量达到29 mAh cm−1，体积能量密度接近1000 Wh L−1。

文章链接

Liquid Exfoliated SnP3 Nanosheets for Very High Areal Capacity Lithium-Ion Batteries

https://doi.org/10.1002/aenm.202002364

通讯作者介绍

Jonathan Coleman 教授

爱尔兰皇家科学院院士，都柏林圣三一学院物理学院教授，物理学院院长，欧盟“Graphene Flagship project”项目负责人。课题组的主要研究兴趣是低维纳米材料，包括石墨烯，无机二维纳米片材料，和碳纳米管，并致力于纳米材料的液相加工及潜在应用。课题组发展出了层状材料二维纳米片的液相剥离，包括石墨烯，二硫化钼，和黑磷等。以及二维纳米片悬浮液的功能化技术研究，包括喷雾干燥，刮涂，和喷墨打印，最终实现在打印电子器件及储能器件方面的应用。同时致力于二维纳米片的纳米复合材料的研究，及其在电化学传感和生理监测等方面的应用。课题组已经在Nature, Science, Nature Nano, Nature Materials, Nature Energy, Nature Comms等知名期刊发表论文>350 篇,总引用超过60,600次，其H-index 为 100。

田瑞源博士

2008年本科毕业于吉林大学物理学院，博士师从中科院国家纳米科学中心的褚卫国和孙连峰研究员，随后于2015年加入以色列Doron Aurbach教授课题组从事博士后研究工作。2016年加入爱尔兰都柏林圣三一学院物理学院与爱尔兰国家纳米科学中心Jonathan Coleman教授团队，担任项目小组负责人。同时也是爱尔兰国家纳米科学中心与爱尔兰Nokia-bell实验室的工业能源合作项目“Nokia Li-ion Battery”，以及欧盟“ERC Graphene Flagship Project”项目的科研骨干。长期从事储能材料和多维纳米材料及复合膜的研究和开发，主要包括低维纳米材料与薄膜的离子输运与电子传导；电池倍率性能物理模型的构建；3D 打印新能源存储器件及薄膜晶体管(TFTs)。目前已在国际知名SCI期刊发表论文多篇，包括 Nature Energy，Nature Communications, Advanced Energy Materials, ACS nano，ACS Applied Materials & Interfaces，ACS Applied Energy Materials，Journal of Power Sources，2D materials，ACS Applied Electronic Materials等，其中以第一作者、共同第一作者及共同通讯作者发表论文12篇。