近日，我院張道洪教授/李婷教授團(tuán)隊(duì)在轉(zhuǎn)換型儲鎂正極材料研究方面取得了重要研究進(jìn)展，研究成果以“Favorable Orthorhombic Phase Cobalt Diselenide Cathode for Rechargeable Mg Batteries: Elucidating the Significant Impact of Crystal Structure on Conversion-Type Mg-Storage Reactions”為題發(fā)表于國際著名期刊《Advanced Functional Materials》。我院2022級碩士研究生張厚安為論文第一作者，張道洪教授、李婷教授與武漢大學(xué)徐飛副教授為論文通訊作者，中南民族大學(xué)為論文第一署名單位。
可充鎂電池（RMBs）具有資源豐富、安全性高等優(yōu)勢，在規(guī)模儲能領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。然而，Mg2+較高的電荷密度和強(qiáng)極化作用導(dǎo)致其在大多數(shù)無機(jī)晶格中可逆脫嵌困難，嚴(yán)重制約了正極材料性能的提升。轉(zhuǎn)換型儲鎂正極突破傳統(tǒng)嵌入機(jī)制對晶體結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格限制，借助可逆的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)較高的儲鎂容量，因此被視為一類極具潛力的RMBs正極材料。然而，目前針對這類材料的研究多集中于納米結(jié)構(gòu)設(shè)計，而對其晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)注相對較少。這主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)換型電極在反應(yīng)過程中會不斷發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，其初始晶體結(jié)構(gòu)對反應(yīng)活性的影響往往被忽視。值得注意的是，這種影響對于單價離子（如Li+、Na+）存儲反應(yīng)可能并不顯著，但對于多價離子存儲活性的影響則尤為值得關(guān)注。
本研究通過設(shè)計合成兩種具有不同晶體結(jié)構(gòu)的CoSe2材料，系統(tǒng)揭示了晶體結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)換儲鎂反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)以ZIF-67為前驅(qū)體硒化衍生制備了正交晶相o-CoSe2和立方晶相c-CoSe2。結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)，這兩種材料具有極為相似的微觀形貌與化學(xué)組成，但o-CoSe2表現(xiàn)出更低的比表面積。儲鎂性能測試表明，o-CoSe2在儲鎂容量、倍率性能、電荷轉(zhuǎn)移電阻以及固態(tài)Mg2+擴(kuò)散系數(shù)等方面均顯著優(yōu)于c-CoSe2，展現(xiàn)出更高的儲鎂活性。機(jī)理表征結(jié)合理論計算進(jìn)一步揭示，o-CoSe2與c-CoSe2在儲鎂可逆性及反應(yīng)機(jī)制上存在顯著差異。具體而言，正交相CoSe2在（010）晶面表現(xiàn)出更高的反應(yīng)活性，在放電過程中通過CoSe2→Co9Se8→Co0/MgSe的多步轉(zhuǎn)化過程實(shí)現(xiàn)可逆儲鎂反應(yīng)，同時伴隨Se?Se鍵斷裂及Co3+/Co2+→Co0的協(xié)同氧化還原過程。相比之下，由于立方相緊密的空間原子排列的限制，c-CoSe2無法形成中間相，僅發(fā)生部分Co3+/Co2+轉(zhuǎn)換，且Se?Se鍵的活性較低。該研究系統(tǒng)闡明了晶體結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)換型儲鎂反應(yīng)活性的關(guān)鍵影響，為設(shè)計多價離子轉(zhuǎn)換儲存電極提供了重要啟示，即在關(guān)注納米結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，還需充分考慮晶體結(jié)構(gòu)的作用。
張道洪教授領(lǐng)銜的超支化聚合物團(tuán)隊(duì)入選了湖北省自然科學(xué)創(chuàng)新群體、湖北省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和國家民委創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。依托催化轉(zhuǎn)化與能源材料化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和超支化聚合物合成與應(yīng)用技術(shù)湖北省工程研究中心，主要圍繞超支化聚合物“基礎(chǔ)理論-關(guān)鍵技術(shù)-工程化與應(yīng)用示范”創(chuàng)新鏈，聚焦新能源風(fēng)電與汽車用關(guān)鍵材料以及能源存儲與轉(zhuǎn)化材料開展基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。團(tuán)隊(duì)目前主持國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目/面上/青年項(xiàng)目18項(xiàng)、省重大重點(diǎn)和企業(yè)委托項(xiàng)目30余項(xiàng)，獲授權(quán)國際、國家發(fā)明專利80余件。獲中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎一等獎2項(xiàng)、湖北省科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎一等獎2項(xiàng)。
李婷教授長期從事電化學(xué)能源材料與新型二次電池技術(shù)研究，包括鋰離子電池、鈉離子電池與可充鎂電池等領(lǐng)域。近年來主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)和湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目2項(xiàng)以及中央高校業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)專項(xiàng)4項(xiàng)等。以第一作者或通訊作者在ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、Small、Nano Research等期刊發(fā)表研究論文60余篇。
文章信息：Hou-an Zhang, Panfei Xiao, Changchun Hu, Donggang Tao, Daohong Zhang*, Yuliang Cao, Ting Li*, Fei Xu*, Favorable orthorhombic phase cobalt diselenide cathode for rechargeable Mg batteries: elucidating the significant impact of crystal structure on conversion-type Mg-storage reactions, Advanced Functional Materials, 2025, 2426006, DOI: 10.1002/adfm.202426006.
文章鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202426006
作者：李婷 責(zé)編：王立 審核：祁帆 發(fā)布：張朝沖 發(fā)布時間：2025-03-18
