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新聞網(wǎng)訊 近日，我校物理科學(xué)學(xué)院李洪森教授課題組在鋰離子電池負(fù)極材料儲(chǔ)能機(jī)制研究方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Coupling Space Charge Storage With Alloying Reactions Anode for Ultrafast and High Energy Storage”為題在國(guó)際權(quán)威期刊Angewandte Chemie International Edition發(fā)表。碩士研究生郎健、湛紀(jì)強(qiáng)為該論文共同第一作者，李洪森教授為通訊作者。

隨著鋰離子電池在電動(dòng)汽車(chē)及大規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域的快速發(fā)展，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高能量密度與高功率密度成為當(dāng)前研究的核心挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)石墨負(fù)極受限于較低的理論容量與不足的倍率性能，難以滿(mǎn)足應(yīng)用需求；Sn基負(fù)極雖具備較高理論容量，但在循環(huán)過(guò)程中存在體積膨脹及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢等問(wèn)題。近年來(lái)，空間電荷存儲(chǔ)機(jī)制因其優(yōu)異的快速充放電能力受到關(guān)注，但其能量密度仍存在不足。因此，如何將空間電荷機(jī)制與傳統(tǒng)儲(chǔ)能機(jī)制有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)性能協(xié)同提升，成為亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種混合電子/離子/合金導(dǎo)體材料（Fe/Li?O-Sn），通過(guò)將空間電荷存儲(chǔ)機(jī)制與Sn的合金化反應(yīng)進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)兩種機(jī)制的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而兼顧高能量與高功率輸出。研究表明，金屬Fe與Li₂O之間的強(qiáng)界面作用及其豐富界面結(jié)構(gòu)，有效構(gòu)建了電子與離子協(xié)同傳輸通道，顯著促進(jìn)鋰離子的快速擴(kuò)散；與此同時(shí)，Sn的合金化反應(yīng)在該體系中不僅保持了較高理論容量，得益于混合電子/離子/合金導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表現(xiàn)出明顯改善的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。通過(guò)XPS、XANES、EXAFS及磁學(xué)分析等多種表征手段，系統(tǒng)揭示了該材料中空間電荷儲(chǔ)能與合金化反應(yīng)的協(xié)同機(jī)制。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，該電極在40 A g^-1的高電流密度下仍可穩(wěn)定工作，并實(shí)現(xiàn)1242 Wh kg^-1的高能量密度，在10 A g^-1條件下循環(huán)20000次后容量保持率達(dá)87%，展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能與循環(huán)穩(wěn)定性。該研究從機(jī)制設(shè)計(jì)角度出發(fā)，為構(gòu)建兼具高能量密度與高功率密度的鋰離子電池負(fù)極材料提供了新的思路，對(duì)高性能儲(chǔ)能體系的開(kāi)發(fā)具有重要意義。

近年來(lái)，李洪森教授致力于界面電荷調(diào)控先進(jìn)能源材料的研究，目前以通訊或第一作者發(fā)表SCI論文60余篇，包括領(lǐng)域內(nèi)主流期刊Nat. Mater.、PNAS（2）、Nat. Commun.、Adv. Mater.（4）、J. Am. Chem. Soc.（2）、Angew. Chem. Int. Ed.（4）、Energy Environ. Sci.（2）、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.（2）、ACS Nano（2）、Nano Lett.（5）等。組內(nèi)培養(yǎng)的研究生升博率在90%以上，于清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、華南理工大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)等高校攻讀博士學(xué)位。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目B類(lèi)以及山東省泰山學(xué)者計(jì)劃的資助。