近日，实验室张海军教授领导的“先进材料研究团队”在高熵材料领域取得新进展，研究论文“Kinetically accelerated lithium storage in high entropy (LiMgCoNiCuZn)O enabled by oxygen vacancies”，在线发表于材料科学领域权威期刊Small上（2021年影响因子13.452，DOI:10.1002/smll.202200524）。高熵氧化物（HEO）具有广泛的成分调制范围和固有的复杂表面，逐渐成为锂离子电池阳极的新焦点。然而，长期充放电循环过程中迟缓的动力学限制了它们的进一步应用。基于此，本研究通过湿化学熔盐策略，将具有目标功能的氧空位引入岩盐型(MgCoNiCuZn)O中，以加速锂离子/电子传输。结合实验结果和理论计算揭示了高熵材料表面缺陷对锂离子存储、电荷传输和扩散动力学的内在机制（图1），对二次电池电极材料的缺陷工程设计与发展具有重要意义。我校2020级博士研究生刘雪枫为本文第一作者，耐火材料与冶金国家重点实验室张海军教授和雷文副教授为本文共同通讯作者。
图1缺陷工程改性HEO材料的充放电机制研究
锂硫电池体系由于理论能量密度高和活性物质硫资源丰富，成为了极具发展潜力的二次电池之一。但由于放电过程中间产物多硫化物溶于有机电解液，产生穿梭效应，导致活性物质利用率低，造成电池容量损失和循环性能下降。基于上述问题，本团队结合静电纺丝技术和化学气相沉积法，针对性地对硫载体进行结构设计，在追求高硫载量的同时，协同调控多硫化物的热力学和动力学扩散。通过原位构建一种内部空腔体积充分利用的“管中管”碳质主体，负载富含缺陷的金属氮化物纳米颗粒(Fe2N1-x)，提供丰富的电子/离子导电通道，最大限度降低多硫化物的穿梭效应，从而提高电池的容量和循环稳定性（图2）。研究论文“A spatially efficient “tube-in-tube” hybrid for durable sulfur electrochemistry”，在线发表于能源材料领域权威期刊Journal of Materials Chemistry A上（2021年影响因子12.732，DOI: 10.1039/d1ta10181a）。我校2018级硕士研究生童钊明为本文第一作者，耐火材料与冶金国家重点实验室黄亮副教授和雷文副教授为本文共同通讯作者。
图2 “管中管”碳基材料在电化学储硫中的优势
此外，由于一维碳材料（1DCMs）具有高比表面积、优异的导电性、良好的柔韧性、优异的机械稳定性等特殊的理化性质，已被广泛用于锂硫电池中。基于此，本团队详细总结了一维碳材料作为锂硫电池正极的最新研究进展，指出当前锂硫电池发展所面临的挑战，旨在为下一代高比能锂硫电池的材料设计提供理论指导（图3）。研究论文“One dimensional carbon-based composites as cathodes for lithium-sulfur battery”，在线发表于材料科学领域权威期刊Journal of Materials Science & Technology上（2021年影响因子9.191，DOI: 10.1016/j.jmst.2021.12.048）。我校2019级硕士研究生罗谨为本文第一作者，耐火材料与冶金国家重点实验室张海军教授和雷文副教授为本文共同通讯作者。
截至发稿日，本年度先进材料研究团队在耐火材料、结构陶瓷、电化学能源存储与转换等相关领域发表了一系列高水平研究成果：如Carbon, https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.11.031、Green Energy & Environment, https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.10.019、Journal of the European Ceramic Society, https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.01.059.等。上述研究工作得到了国家自然科学基金、省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室和“澳门青年学者”计划等资助。
