近日，大网投平台信誉排行榜技术研究院郭航教授MEMS与微能源课题组联合美国德州大学奥斯汀分校Mullins教授和Henkelman教授，结合实验和理论计算开发了一种高储锂性能的Cu-Sn-S自组装纳米管。于2017年9月12日在《ACS Nano》上合作发表题为“Self-Assembled Cu−Sn−S Nanotubes with High (De)Lithiation Performance”的文章（DOI: 10.1021/acsnano.7b05294）。
该文的第一作者为我研究院2014级博士研究生林杰。在先前几年的工作中，课题组就首先提出并实现了用溅射法成功制备多元硫化物Cu2ZnSnS4薄膜负极材料，以及基于Cu2ZnSnS4薄膜负极的全固态微型薄膜锂离子电池，发表在《ACS Interface and Applied Materials》、《Journal of Power Sources》等刊物上，受到国际同行的关注与积极评价。自2016年8月起，林杰作为联合培养博士生在UT-Austin学习，继续进行能源材料与器件的研究工作，特别是硫化物材料作为锂离子电池材料的研究。
Cu-Sn-S（CTS）是一种环境友好和储量丰富的新型太阳能电池材料，同时具有较高的储锂理论容量、较大的层间距和通道尺寸，使其有望成为下一代锂电池的高性能电极材料。目前报道的CTS电极材料大部分为颗粒状且具有较大的体积膨胀，从而导致明显的容量衰减现象。如果能够构造合理的纳米材料，结合含有不同物相组成的核壳结构，将有望大大提高其电化学性能。
在研究中，提出一种无添加剂的凝胶-溶剂热法，制得自组装的CTS纳米管、次纳米管和纳米颗粒，通过多种材料表征技术发现该纳米管具有Cu3-4SnS4@Cu2SnS3的多相核壳结构，并通过密度泛函理论（DFT）计算对比不同物相的体积变化、锂化曲线和形成焓，证明该核壳结构可有效缓解锂化时的体积膨胀，从而表现出优异的电化学性能（200次循环后可逆容量仍保持在774mAh/g）和较高的初始库伦效率（82.5%）。此外，还利用DFT计算三种不同物相在不同锂化阶段时的原子结构变化，结合精修后的原子模型，提出单分子可嵌入18摩尔锂的Li-Cu-Sn-S固溶体反应。
本工作提出的配合物模板及其自组装方法可用于制备类似的Cu基硫化物纳米管，并用于储能或其他领域。密度泛函理论的计算结果为Cu-Sn-S材料的储能应用提供了理论依据，而该核壳结构及其分析、计算方法也为开发其他新型多元材料提供了创新性思路。
郭航教授、Mullins教授和Henkelman教授为共同通讯作者。该研究工作得到了美国国家科学基金会（NSF）和中国留学基金委（CSC）的基金支持。
近三年来，我研究院郭航教授课题组的研究生取得了多项重要科研成果：2014级博士研究生林杰以第一作者发表了5篇JCR 一区高水平论文，1篇高水平工程类期刊（Sensors and Actuators A:Physical）论文；2015级博士研究生褚瑞霞以第一作者发表论文“Reduced graphene oxide coated porous carbon–sulfur nanofiber as a flexible paper electrode for lithium–sulfur batteries”（Nanoscale. 2017, 9, 9129）；2015级硕士研究生郑健以第一作者发表论文“ZnO nanoparticles anchored on nickel foam with graphene as morphology-controlling agent for high-performance lithium-ion battery anodes”（J. Appl. Electrochem. 2017, 47, 969）；2015级硕士研究生吴长青以第一作者发表论文“Reduced graphene oxide as a dual-functional enhancer wrapped over silicon/porous carbon nanofibers for high-performance lithium-ion battery anodes”（J. Mater. Sci. 2017, 52, 7984）。课题组的研究工作不仅重视新型能源材料的研究，也高度注重将这些新型的性能优异的能源材料应用到工程实际当中。目前，课题组研发的全固态微型薄膜锂电池已在医疗与特种装备等的研究测试中得到了应用。
论文链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b05294
发布：2017年09月21日 19:45
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