廣東工業大學李成超Advanced Functional Materials：插層化學調控層狀三氧化鉬材料鈉離子嵌入/脫出動力學

近年來，過渡金屬氧化物由于其高容量和優良的速率行為而引起了廣泛的關注。其中，α-MoO₃是一種重要的層狀過渡金屬氧化物電極材料，它具有獨特的層狀結構，被認為是一種很有前途的Li/Na離子儲存電極材料。然而，MoO₃(6.92??)的層間間距較小，電導率差，往往導致擴散動力學緩慢以及差的循環穩定性。

鑒于此，廣東工業大學的李成超教授團隊針對這一問題開發了一種插層化學策略，利用鉍硫醇分子特有的共軛雙鍵以及巰基基團以穩定快速充放電過程中的層結構破壞。并且，增大的層間距有效改善Na⁺的嵌入/脫出動力學。電化學性能結果顯示，優化后的MoO₃電極在0.2 A g^-1下可以提供256 mAh g^-1的高容量，并且在5 A g^-1的大倍率下經過1200次循環后仍能保持105 mAh g^-1的高容量。此外，優化后的MoO₃負極與Na₃V₂(PO₄)₂O₂F正極匹配組裝的全電池，在0.2 A g^-1時，經過100次循環后仍能提供130 mAh g^-1的高容量且容量保持率高達99.2%, 優異的倍率性能也證明了其潛在的可應用性。相關論文“Interlayer Engineering of Molybdenum Trioxide toward High-Capacity and Stable Sodium Ion Half/Full Batteries”在線發表在Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202001708）。

這種插層化學策略是基于部分還原和有機分子插層方法。結果表明，MoO₃的層間距從6.92??逐漸增大到10.40??，層間鉍硫醇(DMcT)分子增強了層間的結構穩定性。綜合電化學表征和密度泛函理論（DFT）計算證明，插層鉍硫醇（DMcT）分子顯著增強了電子電導率，降低了擴散能壘(0.82 eV→0.53?eV)，并通過共軛雙鍵有效屏蔽了Na⁺和MoO₃主體之間的靜電相互作用，且具有較低較低的反應內阻和電荷轉移電阻，從而使得Na⁺的嵌入/脫出動力學得到顯著改善。并且，不同循環全輸后的非原位HRTEM圖像和原位XRD圖譜表征顯示在整個充放電電過程中其形貌結構保持完整，沒有被破壞或電極粉化現象，進一步證明了這種具有大的層間距的結構的穩定性。基于這些優點，優化后的MoO₃表現出優異的倍率性能以及出色的大電流循環穩定性。更重要的是，組裝的全電池也顯示出優異的電化學性能，這進一步證明了其具有廣闊的應用潛力。這些成果對于利用插層化學制備具有高倍率性能和長循環壽命的鈉離子電池負極材料具有重要意義。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202001708

圖1. DMcT-MoO₃負極材料的制備流程、形貌結構以及電化學性能

作者介紹

李成超，博士，教授，珠江學者，博士生導師，2013年獲湖南大學/新加坡聯合培養博士學位，廣東工業大學百人計劃特聘教授引進人才。目前從事新能源材料的設計合成與能源存儲研究。在低維多孔材料制備與電化學儲能材料及器件研究領域做出了一系列創新性的工作，取得了一批具有國際先進水平的研究與應用成果。研制出高能量密度、高功率密度和柔性器件用碳復合電極材料及電化學儲能器件，部分成果實現了產業化。近五年，主持了自然科學基金項目 2 項、湖南省自然科學基金2項、省部級課題4項，學術新人獎項目1項，并作為主要參與人參加了多項新加坡教育部科學基金，國家自然科學項目，重點項目等。以第一作者/通訊作者身份在Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano等國際權威期刊上發表高水平學術論文56 篇，共發表論文近100篇。