科研女神!间隔仅2天,余彦教授再发AM,近一月内第4篇!

说起余彦教授,基本做电池研究的同学都有所耳闻,可以说是国内电池材料研究领域的一颗新星,接连斩获大奖,美貌与实力并存!

学者简介

科研女神!间隔仅2天,余彦教授再发AM,近一月内第4篇!

余彦,中国科学技术大学教授,国家杰青、英国皇家化学会会士、兼任Journal of Power Sources副主编。目前在Science, Nature Energy, Advanced Materials等国际著名期刊上发表论文280余篇,其中包括以通讯作者发表Advanced Materials 30余篇SCI他引22000余次H指数84(WOS数据库数据,见下图)。入选科睿唯安以及爱思唯尔材料类高被引学者榜单。
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近年获奖如下第十七届中国青年女科学家奖(2021)、第十六届中国青年科技奖(2020)、安徽省自然科学一等奖(第一完成人,2020)、 Elsiver出版社“Materials Today Rising Star”奖(2019)、Wiley出版社“Outstanding Young Researcher”(2018)、中国硅酸盐学会青年科技奖(2017)、Wiley出版社“Small Young Innovators”奖(2017)、中国化工学会侯德榜科技青年奖(2017)等。
研究领域功能材料的电化学制备、化学储能及相关电化学基础研究。主要研究方向为一维纳米材料的可控制备及应用、高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计、合成及储能机制。课题组官网:http://staff.ustc.edu.cn/~yanyumse/index.html

最新AM成果

在之前小编刚刚介绍了余彦教授近期2天内接连发表在AM和AEM上的重磅成果,详情见:太强了!这位手握30多篇AM的美女科学家,两天内连发AM、AEM!

而距离上一篇AM发表刚刚时隔2天,余彦教授于9月27日再次在AM(最新IF=30.849)上发表文章,这也是余教授自8月31日以来近一个月内发表的第4篇AM
科研女神!间隔仅2天,余彦教授再发AM,近一月内第4篇!
目前,Na(K)表面的枝晶生长阻碍了钠(钾)金属负极在电池中的实际应用。为了解决这些问题,已经探索了包括构建三维多孔集流体、优化电解液和设计人工固体电解质界面(SEI)层等策略。在人造SEI复合材料中,富含硫化物的SEI保护层已被证明是实现稳定剥离/镀Na的有效层。由于Na2Te显示出与Na2S相似的晶体结构并且Na+ 扩散势垒更低,因此预期含Na2Te的人造SEI层可以进一步提高Na (K)负极的电化学性能。
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在此,余彦教授等人首先采用DFT计算和从头分子动力学(AIMD)模拟预测Na2Te表现出较低的Na+ 扩散势垒和较高的扩散系数,证明Na2 Te更有利于Na+的迁移并抑制Na枝晶的生长。然后通过将平均尺寸约为177 nm的纳米级Te粉末直接涂在Na (K) 金属负极表面获得了具有高离子电导率、低电子电导率和高机械稳定性的Na2Te (K2Te)保护层。

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图1. DFT计算与AIMD模拟
Te 粉末与金属Na(K)之间发生合金化反应(2Na (K) + Te = Na2Te (K2Te))。EDS元素映射显示Te和Na/K元素均匀分布在金属表面,XRD证实了Na2Te (K2Te) 的形成。横截面SEM图像和相应的EDS元素映射显示Na2Te保护层的厚度约为25 µm。此外,Na2Te保护层的杨氏模量约为8.7 GPa,高于约3.0 GPa 的裸金属钠,这可以抑制钠枝晶生长。

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图2. Na2Te (K2Te) 保护层的构建及表征
因此,获得的Na2Te修饰的Na金属(Na@Na2Te)电极在低成本碳酸盐电解液中(电流密度为1 mA cm-2)表现出700 h的长循环稳定性,且具有1 mAh cm-2的剥离/电镀容量。组装的Na3V2(PO4)3 (NVP)//Na@Na2Te电池中在在20 C时 3000次循环后显示出93% 的超高容量保持率和创纪录的功率密度(29687 W kg-1,对应的能量密度为223 Wh kg-1)。

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图3. NVP//Na和NVP//Na@Na2Te电池的电化学性能
对于K金属负极,K2Te改性样品 (K@K2Te) 在 0.5 mA cm-2下的碳酸盐电解液中显示出 800 小时的长寿命且具有高达0.5 mAh cm-2的可逆容量。当与苝-3,4,9,10-四羧酸二酐 (PTCDA) 正极配对使用时,电池具有出色的循环性能(20 C下1000次循环后容量保持率为76%),在能量密度为154 Wh kg-1时功率密度达20 577 W kg-1。因此,简单、低成本的Na2Te/K2Te界面层的设计为在大规模储能中实现钠/钾金属电池的高功率密度和长循环寿命提供了新的机会。

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图4. 裸K和K@K2Te的理论模拟和电池的电化学性能
Design Principles of Sodium/Potassium Protection Layer for High-Power High-Energy Sodium/Potassium-Metal Batteries in Carbonate Electrolytes: a Case Study of Na2Te/K2Te, Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202106353
https://doi.org/10.1002/adma.202106353

其余3篇AM简介

1. Mo2N-W2N异质结构嵌入球形碳超结构中作为室温Na-S电池的高效电催化

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余彦教授姚雨及西北大学白晋涛教授等人设计了Mo2N-W2N异质结构嵌入球形碳超结构(Mo2N-W2N@PC)作为S主体,以有效抑制NaPS穿梭并分析电催化机制。分级多孔球形超结构具有优异的导电性和丰富的微孔结构,可以改善反应动力学并适应充放电过程中电极材料的体积膨胀。Mo2N-W2N异质结构可以提供强大的吸附来抑制穿梭效应,增强离子扩散性,促进NaPS的快速转化。结合这些优点,S/Mo2N-W2N@PC正极在0.2 A g-1下100 次循环后提供799 mAh g-1的高容量,具有优异循环稳定性,在1 A g-1下400 次循环后仍能实现517 mAh g-1的优异长循环性能。此外,非原位XRD、紫外-可见 (UV-vis) 光谱和沉淀实验揭示了电催化反应机理。这项工作展示了一种新颖的异质结构设计策略,可实现高性能Na-S电池。
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Mo2N-W2N Heterostructures Embedded in Spherical Carbon Superstructure as Highly Efficient Polysulfide Electrocatalysts for Stable Room-Temperature Na-S Batteries, Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202103846
https://doi.org/10.1002/adma.202103846
2. 定量共组装精确合成的介孔纳米球及其孔结构相关的催化性能
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余彦教授、俞汉青教授及黄贵祥等人开发了一种用于合成树脂/二氧化硅复合材料及其衍生多孔球体的定量共组装方法。碳和二氧化硅前体的组装行为在没有表面活性剂的情况下进行调节,并且复合球体的生长动力学受到定量控制。这种组装方法能够精确控制衍生碳球的尺寸和孔结构,为探索多孔材料的结构-性能关系提供了一个很好的平台,并证明了它们在水净化过程的催化性能与孔隙结构密切相关。这项工作为多孔碳球的精确合成提供了一种简单而可靠的方法,并为多孔材料的功能导向设计提供了见解。
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Quantitative Coassembly for Precise Synthesis of Mesoporous Nanospheres with Pore Structure-Dependent Catalytic Performance, Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202103130
https://doi.org/10.1002/adma.202103130
3. 结构工程控制MoS3负极体积膨胀,实现高性能的非锂基可充电电池
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余彦教授厦门大学张桥保副教授等人首次开发了一种新方法,通过合理控制还原氧化石墨烯 (rGO) 表面上MoS3的内在各向同性生长来构建2D非晶MoS3-on-rGO异质结构。受益于可忽略不计的体积膨胀和低钠化应变、优异的结构稳定性和优异的电化学动力学,基于2D非晶MoS3-on-rGO的钠离子电池在10 A g-1的高速率下具有高达40000次循环的显著循环稳定性。此外,该异质结构在固态钠电池(SSBs)、钾离子电池(KIBs)、锌离子电池(ZIBs)、混合超级电容器等非锂离子电池的储能系统中也显示出优异的兼容性,展示了其优异的应用前景。
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Harnessing the Volume Expansion of MoS3 Anode by Structure Engineering to Achieve High Performance Beyond Lithium-Based Rechargeable Batteries, Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202106232
https://doi.org/10.1002/adma.202106232

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