杨全红教授/王大伟副教授Nano Energy：醚类电解液改善石墨烯/对苯二甲酸二钠有机杂化电极的储钠动力学- 大数跨境

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杨全红教授/王大伟副教授Nano Energy：醚类电解液改善石墨烯/对苯二甲酸二钠有机杂化电极的储钠动力学

科学材料站

2020-08-02

导读：本文种自组装石墨烯/对苯二甲酸二钠电极具有极高的Na2TP负载量（高达88.60%），并具有较好的导电性；醚类电解液有助于提升脱嵌钠的动力学行为。这种电极/电解质综合设计方案实现了245 mAh g−

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通讯作者：杨全红*，王大伟*

单位：天津大学，新南威尔士大学

研究背景

由于钠资源的极大丰富，钠离子电池（SIBs）被认为是一种很有前途的大规模储能电池。氧化还原电位可调、结构刚度低的有机电极材料具有容量大、成本低、安全性好等优点，是很有潜力的钠离子电池负极材料。

然而，仍然存在应用瓶颈。首先，有机电极材料在电解液中的溶解度较高，不可避免地导致活性物质的损失和稳定性差。其次，有机电极的导电性较差，需要较高比例的导电添加剂（>40%）。第三，有机材料与电解质的不可逆界面反应限制了初始库仑效率（ICE）。这些问题导致了有机负极循行性能差，首次库伦效率低，抑难以满足实用化需求。

文章简介

近日，天津大学杨全红教授、新南威尔士大学王大伟副教授在国际顶级期刊Nano Energy (影响因子：16.602) 上发表题为“High-performance graphene/disodium terephthalate electrodes with ether electrolyte for exceptional cooperative sodiation/desodiation”的研究工作。

该工作中，自组装石墨烯/对苯二甲酸二钠（Na2TP）电极具有极高的Na2TP负载量（高达88.60%），并具有较好的导电性；醚类电解液有助于提升脱嵌钠的动力学行为。这种电极/电解质综合设计方案实现了245 mAh g−1的高可逆容量，初始库仑效率为82.3%。

该文章作者为清华-伯克利深圳学院张思伟博士，曹腾飞博士，吕伟副研究员等，杨全红教授和王大伟副教授为本文共同通讯作者。

要点解析

要点一：结构、形貌表征

图1.

（a） Na2TP和Na2TP/G的XRD图谱和（b）FTIR光谱

（c）SEM图像

（d）TEM图像

（e）Na2TP/G的元素映射图

（f）Na2TP/G

（G）机械混合Na2TP和rGO在不同电解质中的Nyquist图。

要点二：电化学性质

图2.

（a）电流率为30 mA g−1时，EC/DEC和二甘醇二甲醚电解质中Na2TP/G的恒流充放电曲线

（b）不同电解液中Na2TP/G前两个循环放电容量的比较

（c）扫描速率为0.1 mV s−1的不同电解液中Na2TP/G的CV曲线

（d）不同电流速率下Na2TP/G在EC/DEC和二甘醇二甲醚电解质中的恒流充放电曲线。

要点三：不同电解质中循环后Na2TP / G的形貌与元素分布

图3.

Na2TP / G在（a）（c）EC / DEC基电解质和（b）（d）二甘醇二甲醚电解质经过10个循环后的SEM和TEM图像

（e）EC / DEC和（f）二甘醇二甲醚基电解质中的高分辨率映射图像；

在EC / DEC和二甘醇二甲醚基电解质中经过10个循环后的原始Na2TP / G和Na2TP / G的XPS光谱：（g）C 1s，（h）O 1s和（i）Na 1s。

要点四：不同电解质中Na2TP/G的电化学性质

图4.

Na2TP/G在不同电解液中的CV曲线：EC/DEC电解液中的第1-3个循环，二甘醇二甲醚基电解质的第4-10个循环，EC/DEC基电解质的第11-15个循环。a，b和c分别为第3、10、15个循环。

要点五：储钠示意图与性能比较

图5.

（a）使用选定的电解质系统在Na2TP中存储Na的示意图

（b） Na2TP/G与最近报道的有机负极材料储钠性能的比较。比容量是根据负极材料的质量计算的，包括活性材料、导电添加剂和粘合剂。

结论

综上所述，为提高有机负极的利用率，作者进行了系统的设计。采用不溶性Na2TP与rGO杂化，构建了一种不含导电添加剂和粘合剂的自支撑电极，有机物负载率高达88.6%。此外，首次将乙醚基电解质应用于SIBs的有机负极上，由于SEI更致密，其首次库伦效率达到82.3%，并通过从两步到一步的钠化/脱盐机理的转化，改善了钠的储存动力学。

文章链接:

High-performance graphene/disodium terephthalate electrodes with ether electrolyte for exceptional cooperative sodiation/desodiation

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520307813

通讯作者介绍:

杨全红教授

杨全红博士，天津大学化工学院讲席教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者、长江学者特聘教授、“万人计划”领军人才、天津市有突出贡献专家，是科睿唯安“全球高被引科学家”和爱思唯尔“中国高被引学者”。从事碳功能材料和先进电池研究，特别聚焦于解决电池体系中“碳”的问题，在致密储能和锂硫催化方面取得系列进展。获国家技术发明二等奖、天津市自然科学一等奖和教育部自然科学一等奖等奖项。任国际Energy Storage Materials、Carbon和Science China Materials等10余份刊物编辑和编委。发表SCI论文200余篇，他人引用18000余次，H因子78。拥有中国和国际授权发明专利40余项，部分技术实现技术转让。

研究方向:碳纳米材料和纳米能源材料

具体方向：1、碳材料和碳电极结构设计；2、二维材料胶体化学和界面组装；3、致密储能（材料和电池）；4，锂硫催化；5、锂金属电池

引用：http://nanoyang.tju.edu.cn

王大伟副教授

王大伟博士现为澳大利亚新南威尔士大学（UNSW，QS全球Top 50大学）副教授，澳大利亚国家基金委Future Fellow，UNSW Scientia杰出青年科学家。他的研究领域为二维能源材料的合成化学和界面机理，及新型能源技术（主要为超级电容器，金属/硫电池和高通量生物电解技术等）。他作为首席科学家已获得并完成多项政府和企业研究课题。他目前在诸多高影响力（包括自然索引期刊）材料和能源领域顶级期刊发表100余篇论文，获得超过20000次引用，h因子为53。他获得了2020年ICESI的青年科学家奖，2018及2019年全球高被引科学家，2018年AMP Tomorrow Maker Finalist和2013年Scopus工程技术领域年度青年科学家奖。曾被澳大利亚国家广播电台（ABC）邀请作为特邀评论专家就未来电池技术发表前瞻性观点。

研究指标（谷歌学者）：引用20395、h-index 54、i10-index 112

研究方向：高密度储能材料化学与工程、先进电化学能源技术、二维储能材料

奖项和荣誉：

Australian Research Council Future Fellowship (2020)

Young Scientist Award, The International Coaliation for Energy Storage and Innovation (2020)

AMP Tomorrow Maker Finalist (2018)

Clarivate Analytics Highly Cited Researcher (2018,2019)

Scopus Young Researcher of the Year Award (2013)

引用：https://research.unsw.edu.au/people/associate-professor-da-wei-wang