近年來，化石燃料的大量消耗以及日益突出的環(huán)境問題推動了諸如太陽能、風能和潮汐能等可再生能源的快速發(fā)展。

然而，由于可再生能源發(fā)電具有分散性和間歇性的缺點，限制了其大規(guī)模應用，因此開發(fā)能量密度高、循環(huán)壽命長和成本低的新型電化學儲能系統(tǒng)（EESS）迫在眉睫。

由于多價金屬離子在電荷轉(zhuǎn)移過程中的高效性，基于多價金屬離子(Mg2+、Zn2+和Al3+等)的EESS具有巨大的應用前景。其中，鋁離子在充放電過程中可釋放三個電子，金屬鋁的理論質(zhì)量比容量為2980mAhg-1，僅次于鋰（3870mAhg-1）；鋁的體積比容量高達8050mAhcm-3，是目前所有金屬中最高的。因此可逆鋁離子電池（RAIB）被認為是未來極具發(fā)展?jié)摿Φ碾娔艽鎯ο到y(tǒng)。

與石墨基正極材料相比，金屬硫族化合物正極材料具有更大的初始放電容量。然而，金屬硫族化合物的循環(huán)性能普遍較差，阻礙了高容量RAIB的進一步開發(fā)。因此，深入研究此類正極材料的能量儲存和容量衰減機制十分必要。

近日，中國石油大學（華東）重質(zhì)油國家重點實驗室閻子峰教授和邢偉教授團隊與昆士蘭大學納米材料研究中心王連洲教授合作，在新型鋁離子電池(AIB)研究中取得重要進展。

科研論文“用于高性能鋁離子電池的二硒化鈷/碳納米骰子@還原石墨烯（CoSe2/CarbonNanodice@rGO）復合材料”（StableCoSe2/CarbonNanodice@ReducedGrapheneOxideCompositesforHigh-performanceRechargeableAluminum-ionBatteries），以封底文章（BackCover）的形式在國際能源與環(huán)境科學領域頂級期刊Energy&EnvironmentalScience在線發(fā)表（IF30）。論文第一作者為該校2015級博士研究生蔡同輝，閻子峰教授和邢偉教授為共同通訊作者，中國石油大學（華東）為研究成果第一署名單位和唯一通訊單位。

研究過程

在這項工作中，蔡同輝首先制備了一種金屬硫族化合物復合材料（CoSe2/CarbonNanodice），并進行了詳細的電化學測試和結(jié)構(gòu)表征，以揭示其儲能機理。

研究結(jié)果表明，在放電過程中Al3+可嵌入到CoSe2晶體，生成單質(zhì)Co和AlmConSe2（即Al3+取代CoSe2中的部分Co2+）。同時還發(fā)現(xiàn)，該電極材料的容量衰減可歸因于充放電過程中活性鈷物種的溶解流失，以及CoSe2復合材料的粉化。在此容量衰減機制的指導下，作者采用靜電自組裝法將rGO緊密包覆CoSe2/CarbonNanodice，得到新型CoSe2/CarbonNanodice@rGO復合材料。

研究結(jié)果表明，rGO包覆實現(xiàn)了抑制Co溶解、緩解CoSe2/CarbonNanodice材料粉化以及增加導電性的三重目的，從而顯著提高了電極材料的循環(huán)性能。該新型復合材料經(jīng)過500次循環(huán)測試后放電容量仍然可達143mAhg-1，比此前報道的金屬硫族化合物材料的循環(huán)性能有顯著提高。兼顧放電容量和循環(huán)壽命這兩項技術指標，CoSe2/CarbonNanodice@rGO復合材料的儲電性能優(yōu)于此前報道的所有正極材料。

研究團隊

閻子峰教授和邢偉教授團隊主要從事催化材料、儲能材料等方向的研究。

近五年來，在電化學儲能材料方向承擔了國家自然科學基金、山東省自然科學杰出青年基金、山東省自然科學重大基礎研究項目、山東省泰山學者青年專家計劃等項目，在Energy&EnvironmentalScience、AdvancedFunctinoalMaterials等SCI一區(qū)期刊發(fā)表論文26篇，參與申報的研究成果獲山東省自然科學獎一等獎、教育部自然科學獎二等獎等獎勵。

研究獲得肯定

相關科研成果得到國際審稿專家及期刊主編的充分肯定，一致認為這項工作不僅開發(fā)了一種新型高性能RAIB正極材料，同時為金屬硫族化合物的儲能和容量衰減機制提供了新的見解，這些發(fā)現(xiàn)對于推動高容量RAIB的發(fā)展具有重要意義。

Energy&EnvironmentalScience期刊由英國皇家化學會（RSC）創(chuàng)辦，在能源和環(huán)境科學領域400余份期刊中排名第一，是世界公認的能源與環(huán)境科學領域頂級刊物，2018年7月最新公布的影響因子（IF）為30.067。