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材料学院周爱军副教授在《先进能源材料》发表论文
发布日期:2020-05-26作者:周爱军 审核人:李翰超 阅读次数:

近日,材料与能源学院周爱军副教授受邀在能源材料领域国际顶级期刊《先进能源材料》(Advanced Energy Materials, IF=24.884)在线发表题为“Hexacyanoferrate‐Type Prussian Blue Analogs: Principles and Advances Toward High‐Performance Sodium and Potassium Ion Batteries”(六铁氰化物型普鲁士蓝类材料在高性能钠离子及钾离子电池中的应用原理和进展)的综述论文。周爱军副教授为论文第一作者兼通讯作者。浙江大学材料科学与工程学院谢健副教授、华中科技大学材料科学与工程学院张五星副教授为论文的共同通讯作者,材料与能源学院李晶泽教授、赵强副教授、硕士研究生程威杰、王伟以及美国得州大学奥斯汀分校高洪才博士和薛雷刚博士为共同作者,材料与能源学院为第一通讯单位。

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近年来,钠离子电池(NIBs)和钾离子电池(KIBs)因原料丰富、成本低廉且具有较为可观的能量/功率密度而成为了电储能领域的研究热点。在众多电极材料体系中,普鲁士蓝类材料(PBAs)拥有刚性和开放的框架结构和较大尺寸的间隙通道(> 3.5 Å),并具有原料易得、结构组成多样、合成温度低、易规模化等综合优势。其中,基于Fe(CN)6的六铁氰化物(HCFs)在钠/钾离子电池中表现出较高的氧化还原电位(2.5–3.8 V)和比容量(70–170 mAh g-1),是普鲁士蓝类材料中研究最多的正极材料。但是,该材料的结构对称性和晶胞体积对碱金属/过渡金属种类、合成条件和碱金属离子脱嵌量等因素比较敏感,并且该框架结构中存在固有的Fe(CN)64-配位空位和亚稳态结晶水,其电极的循环稳定性和倍率性能必须进行优化以满足规模化电储能应用的要求。

该论文首先从“立方-单斜-菱方”的多相结构转变和过渡金属的多自旋态的角度,深入分析了六铁氰化物型普鲁士蓝类材料的结构特点和氧化还原机理,阐明了不同碱金属和过渡金属的六铁氰化物之间的差异性,然后从材料的结晶性调控、结晶水的物理和化学脱出、高比表面复杂形貌的构建、导电复合和表面修饰、过渡金属和碱金属元素取代等五个方面系统梳理和讨论了该材料体系的优化改性原理和近十年来取得的主要研究进展。最后,文章总结了六铁氰化物在空位缺陷、结晶水、结构变化和离子动力学方面的现存问题并对未来的研究进行了展望。

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图1:六铁氰化物型普鲁士蓝类材料作为NIBs/KIBs正极材料的原理和结构变化示意图

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图2:近10年内六铁氰化物作为NIBs/KIBs正极材料研究情况:(a) 发表论文数量;(b)不同电池体系中的研究分布;(c)钠离子电池中的材料分布;(d)钾离子电池中的材料分布

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图3:典型六铁氰化物的多样性结构示意图(红色虚线为原胞的轴向投影):a-d) 立方结构NaxFeFe(CN)6,e-h) 单斜结构NaxFeFe(CN)6,i-l) 菱方结构NaxFeFe(CN)6,m-p) 单斜结构NaxFeMn(CN)6,q-t) 菱方结构NaxFeMn(CN)6

周爱军副教授所在的“先进能源材料与系统”实验室(李晶泽教授团队)长期开展新型电池材料的研究,包括锂/钠/钾离子二次电池电极材料,全固态薄膜锂离子电池、金属锂负极、聚合物电池等方向。团队自2007年成立以来获得国家及地方、国防及企业的多项资金支持,共发表SCI论文100余篇,培养博士和硕士研究生30余人,拥有多项授权专利。