Sodium-ion and Potassium-ion Batteries

Unsere Gruppe konzentriert sich auf Natriumionen- und Kaliumionenbatterien (SIBs und PIBs), da sie die erdreichen Elemente (Natrium und Kalium) verwenden und vielversprechende Eigenschaften als zukünftige Alternativen zu Lithiumionenbatterien aufweisen. Insbesondere unsere Gruppe ist eine der Pioniergruppen der Kaliumionenbatterieforschung. Ab 2016 haben wir begonnen, Kaliumpreußischblau als kostengünstiges Kathodenmaterial für Kaliumionenbatterien zu untersuchen (Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1604307; 244 Zitate) und 2018 eine der besten PIB-Leistungen erzielt (Nature Communications 2018, 9 (1), 1720; bisher hat es 392 Zitate erhalten). Zwei Hauptstrategien, die geometrieabhängige Elektrodentechnik und die materialabhängige Oberflächentechnik, werden vorgeschlagen, um die Energiespeicherleistung von Natrium- und Kaliumionenbatterien zu verbessern.

Geometrieabhängige Elektrodentechnik: Ein einfacher ionischer Zugang vom Elektrolyten ist eine Voraussetzung für einen schnellen Ladungstransfer an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. Unsere Gruppe schlug eine Elektrodengeometrie hochgeordneter Nanoarrays vor, um diese Voraussetzung zu erfüllen. Die Einheiten von Templat-präparierten Nanoarrays sind stark orientiert und streng vertikal zum Substrat ausgerichtet. Es garantiert einen effizienten Raum zwischen den Einheiten, durch den Ionen im Elektrolyten auf "hohe Weise" diffundieren und die gesamte Oberfläche der Einheiten erreichen, was zu einer "toten" Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt führt. Die robuste Array / Substrat-Verbindung bietet eine hervorragende Elektrodenintegrität über einen langen Zyklus. Wir haben erfolgreich die Machbarkeit der Leistungssteigerung unter Verwendung der vorgeschlagenen Nanoarrays durch verschiedene Materialien in Natriumionenbatterien demonstriert (Energy Environ. Sci. 2015, 8, 2954; Chem. Mater. 2015, 27, 4274; Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600448; Nano Energy 2017, 31, 514).

Materialabhängige Elektrodentechnik: Die Manipulation von Oberflächenfehlern ist ein Schlüssel für die materialabhängige Oberflächentechnik. Es ist wichtig, Defekte an der Materialoberfläche zu manipulieren, um das Ladungsübertragungsverhalten an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt zu regulieren. Wir verwendeten Heteroatomdotierung (Nature Communications 2018, 9 (1), 1720) und Sauerstofffehlstellen (Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 8768; Nano Energy 2017, 38, 304), um Defekte an den Oberflächen zu erzeugen . Die Stickstoffdotierung in Kohlenstofffasern erzeugt gleichzeitig Kohlenstoffdefekte und reaktive Stickstoffstellen, die beide die Ionenabsorptionsenergie stark erhöhen und zu einer oberflächendominierten Kaliumspeicherung führen (Nature Communications 2018, 9 (1), 1720).

Darüber hinaus haben wir auch die π-Konfigurationserweiterung organischer Moleküle als eine effiziente Strategie zum Design organischer Elektrodenmaterialien demonstriert (J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3124; Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 1777). Das erweiterte π-konjugierte System erleichtert den Elektronentransport und stärkt die intermolekularen Wechselwirkungen. Die schichtweise molekulare Stapelung bildet einen schnellen Weg für die Natriumionendiffusion zwischen benachbarten Schichten. Unsere Arbeit wurde von phys.org in den USA mit dem Titel "Na-Ionen-Batterien kommen dem Ersatz von Li-Ionen-Batterien näher" (Na-ion batteries get closer to replacing Li-ion batteries) hervorgehoben. enger-li-ion.html), was ein gutes Beispiel für die Materialkonstruktion für organische Natriumionenbatterien darstellt. Wir haben auch die Forschungsfelder der Verwendung organischer Materialien für wiederaufladbare Natriumionenbatterieanwendungen zusammengefasst (Mater. Today 2018, 21 (1), 60).

Supercapacitors

Unsere Gruppe konzentriert sich auch auf die Verbesserung der Energiespeicherleistung von Superkondensatoren basierend auf geometrieabhängiger Elektrodentechnik (Adv. Sci. 2017, 4, 1700188; Small Methods 2019, 3, 1800341). Unter Nutzung der strukturellen Vorteile von AAO-Templat-gerichteten Nanostruktur-Arrays wurde ein vollständiger dreidimensional nanostrukturierter asymmetrischer Superkondensator mit Hochbetriebsspannungsfenster basierend auf PPy- und MnO2-Nanoröhren-Arrays realisiert (Nano Energy 2014, 10, 63); Selbsttragende metallische Nanoporen-Arrays mit hochorientierter nanoporöser Struktur wurden als Stromkollektoren entwickelt, um die Nachteile (Agglomeration und Kollaps) zu überwinden und gleichzeitig alle Vorteile (große spezifische Oberfläche und guter Ionentransport) von 1D-Nanostruktur-Arrays beizubehalten, um eine hohe Leistung zu erzielen -Leistungssuperkondensator (Adv. Mater. 2014, 26, 7654).

Mikro-Superkondensatoren (MSCs) sind als miniaturisierte Stromquellen für die Mikroelektronik von großer Bedeutung, stehen jedoch immer noch vor Herausforderungen mit begrenzter Energie. Unsere Forschung konzentriert sich auf das Design von 3D-Nanoelektroden, um die energetischen Leistungen von MSCs zu verbessern und dennoch eine geringe Stellfläche zu erhalten (InfoMat 2019, 1, 74). Kürzlich haben wir ein Nanoelektroden-Designkonzept zur Erzielung von MSCs mit hoher Energiespeicherleistung demonstriert (Nature Communications 2020, 11 (1), 299). Durch Nachahmung der Struktur natürlicher Waben haben wir ausgehend von AAO-Templates Waben-Aluminiumoxid-Nanogerüst entworfen und hergestellt und es als Plattform für das Design von Nanoelektroden und die Konstruktion von MSCs verwendet. Bemerkenswerterweise ist die Flächenenergiedichte von MSCs sogar mit der einiger hochmoderner dreidimensionaler Mikrobatterien vergleichbar, jedoch mit einer viel höheren Flächenleistungsdichte.