近日， 中国石油大学（华东）重质油国家重点实验室阎子峰教授和邢伟教授团队与昆士兰大学纳米材料研究中心王连洲教授合作，在新型铝离子电池(AIB)研究中取得重要进展。科研论文“用于高性能铝离子电池的二硒化钴/碳纳米骰子@还原石墨烯（CoSe2/Carbon Nanodice @rGO）复合材料”（Stable CoSe2/Carbon Nanodice@Reduced Graphene Oxide Composites for High-performance Rechargeable Aluminum-ion Batteries），以封底文章（Back Cover）的形式在国际能源与环境科学领域顶级期刊Energy & Environmental Science在线发表（IF30）。论文第一作者为该校2015级博士研究生蔡同辉，阎子峰教授和邢伟教授为共同通讯作者，中国石油大学（华东）为研究成果第一署名单位和唯一通讯单位。

 

★研究背景★

 

        近年来，化石燃料的大量消耗以及日益突出的环境问题推动了诸如太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的快速发展。

 

        然而，由于可再生能源发电具有分散性和间歇性的缺点，限制了其大规模应用，因此开发能量密度高、循环寿命长和成本低的新型电化学储能系统（EESS）迫在眉睫。

 

        由于多价金属离子在电荷转移过程中的高效性，基于多价金属离子(Mg2+、Zn2+和Al3+等)的EESS具有巨大的应用前景。其中，铝离子在充放电过程中可释放三个电子，金属铝的理论质量比容量为2980 mAh g-1，仅次于锂（3870 mAh g-1）；铝的体积比容量高达8050 mAh cm-3，是目前所有金属中最高的。因此可逆铝离子电池（RAIB）被认为是未来极具发展潜力的电能存储系统。

 

       与石墨基正极材料相比，金属硫族化合物正极材料具有更大的初始放电容量。然而，金属硫族化合物的循环性能普遍较差，阻碍了高容量RAIB的进一步开发。因此，深入研究此类正极材料的能量储存和容量衰减机制十分必要。
 

★研究过程★

 

         在这项工作中，蔡同辉首先制备了一种金属硫族化合物复合材料（CoSe2/Carbon Nanodice），并进行了详细的电化学测试和结构表征，以揭示其储能机理。

 

 

        研究结果表明，在放电过程中Al3+可嵌入到CoSe2晶体，生成单质Co和AlmConSe2（即Al3+取代CoSe2中的部分Co2+）。同时还发现，该电极材料的容量衰减可归因于充放电过程中活性钴物种的溶解流失，以及CoSe2复合材料的粉化。在此容量衰减机制的指导下，作者采用静电自组装法将rGO紧密包覆CoSe2/Carbon Nanodice，得到新型CoSe2/Carbon Nanodice@rGO复合材料。

 

 

        研究结果表明，rGO包覆实现了抑制Co溶解、缓解CoSe2/Carbon Nanodice材料粉化以及增加导电性的三重目的，从而显著提高了电极材料的循环性能。该新型复合材料经过500次循环测试后放电容量仍然可达143 mAh g-1，比此前报道的金属硫族化合物材料的循环性能有显著提高。兼顾放电容量和循环寿命这两项技术指标，CoSe2/Carbon Nanodice@rGO复合材料的储电性能优于此前报道的所有正极材料。
 

★研究团队★

 

        阎子峰教授和邢伟教授团队主要从事催化材料、储能材料等方向的研究。

 

       近五年来，在电化学储能材料方向承担了国家自然科学基金、山东省自然科学杰出青年基金、山东省自然科学重大基础研究项目、山东省泰山学者青年专家计划等项目，在Energy & Environmental Science、Advanced Functinoal Materials等SCI一区期刊发表论文26篇，参与申报的研究成果获山东省自然科学奖一等奖、教育部自然科学奖二等奖等奖励。
 

★研究获得肯定★

 

       相关科研成果得到国际审稿专家及期刊主编的充分肯定，一致认为这项工作不仅开发了一种新型高性能RAIB正极材料，同时为金属硫族化合物的储能和容量衰减机制提供了新的见解，这些发现对于推动高容量RAIB的发展具有重要意义。

 

       Energy & Environmental Science期刊由英国皇家化学会（RSC）创办，在能源和环境科学领域400余份期刊中排名第一，是世界公认的能源与环境科学领域顶级刊物，2018年7月最新公布的影响因子（IF）为30.067。