中國儲能網(wǎng)訊：隨著科技的快速發(fā)展，人們在便攜式電子設(shè)備和電動交通領(lǐng)域的能源需求日益增長。高性能鋰離子電池仍被視為解決這一問題最有前景的能源儲存技術(shù)。而現(xiàn)有的商業(yè)化石墨負(fù)極已接近其能量密度極限，開發(fā)出高倍率容量和超長循環(huán)壽命的新型電極材料成為當(dāng)前的迫切需求，也是促進(jìn)鋰離子電池應(yīng)用于大規(guī)模儲能系統(tǒng)中的關(guān)鍵一步。眾所周知的是，材料的本征性質(zhì)受到其維度，組成和原子排列等因素的重要影響。如何通過巧妙地設(shè)計(jì)策略系統(tǒng)優(yōu)化以上要素來獲得能夠滿足預(yù)期性能要求的電極材料極具挑戰(zhàn)性。
二維超薄材料因其快速的遷移率，很高的表面積，較大的層間距和可調(diào)控的電子性等特性，在新型能源儲存材料方面具有很好的應(yīng)用潛力。目前制備二維超薄材料的主要途徑是化學(xué)氣相沉積或機(jī)械剝離法，但其較低的產(chǎn)量和復(fù)雜的過程嚴(yán)重制約了實(shí)際應(yīng)用。而對于層間由非范德華力結(jié)合的多元復(fù)合材料，這些技術(shù)更是難以為繼。研究表明多元復(fù)合材料因其各組分間的協(xié)同效應(yīng)，通常表現(xiàn)出優(yōu)于其二元單體材料的電化學(xué)活性。此外，原子界面作用對于材料的固有物理化學(xué)屬性也有著較大影響，尤其是在原子層面的離子鍵合的異質(zhì)界面，由于存在著很強(qiáng)的電子相互作用及能帶結(jié)構(gòu)變化，往往展現(xiàn)出優(yōu)異的離子/電荷傳輸性能，從而提高其電化學(xué)性能。
基于以上考慮，澳大利亞伍倫貢大學(xué)（University of Wollongong）博士生鄭洋，周騰飛博士和郭再萍教授及其他合作者采用多級系統(tǒng)優(yōu)化策略（維度，組成，原子界面作用等），巧妙合成出新型二維超薄復(fù)合材料。該材料顯示出了高倍率容量和長循環(huán)壽命等優(yōu)異的鋰離子儲存性質(zhì)。研究人員結(jié)合多種技術(shù)手段深入探究了其良好電化學(xué)性能的內(nèi)在原因。基于第一性原理的DFT計(jì)算結(jié)果表明，相比于體相材料，其優(yōu)越的二維結(jié)構(gòu)屬性為鋰離子的快速遷移提供了三維網(wǎng)絡(luò)式的擴(kuò)散通道，確保了材料的高比容量性能。此外，在二維超薄材料晶體結(jié)構(gòu)中的異質(zhì)界面間存在著層間電場作用，同時由二維材料表面的氧空位缺陷誘導(dǎo)產(chǎn)生了平面內(nèi)局部微電場，這些電場作用顯著促進(jìn)了鋰離子/電子的擴(kuò)散速率，從而提高了材料的高倍率性能。原位同步輻射X射線粉末衍射技術(shù)則進(jìn)一步揭示了其良好循環(huán)穩(wěn)定性能的固有結(jié)構(gòu)特性，其扭曲的共邊八面體MoO6結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與三角雙平面的BiO3結(jié)構(gòu)之間存在著強(qiáng)烈的離子鍵合作用，為鋰離子反復(fù)嵌入/脫嵌過程提供了優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究工作不僅制備出了新型高性能二維超薄鋰離子電極材料，并為開發(fā)出其他應(yīng)用于能源儲存與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的復(fù)合型二維材料體系提供了新的思路。
