胡望宇团队发现纳米限域效应可改变钠/硒电池充放电产物的结构与导电性质

    由于固体硒具有良好的导电性和储钠能力，钠/硒电池被看作有应用前景的下一代储能器件。放电过程中间产物的穿梭效应和最终产物的低导电率是钠/硒电池商业化亟待解决的难题。应用纳米多孔结构限制穿梭效应是当前新型二次电池领域的研究热点。然而，纳米限域效应对充放电反应机理与产物物性的影响尚不清楚。

    近日，胡望宇团队在原子尺度上构造了Na₂Se填充的单壁碳纳米管（直径约1.4纳米）模型，并模拟了脱钠（充电）过程。在单壁碳纳米管中，充电产物不是环状Se₈分子或者长单链，而是较小的硒分子（Se₆,Se₂）。纳米限域效应可激发出巡游电子，将Na₂Se由绝缘体转换为导体。脱去75%的钠以后，钠硒化合物中的巡游电子会消失；此时，空穴极化子可作为电荷传导的载体。 计算结果还表明，Na₂Se中的巡游电子也会随着管径的增大而消失。理论预测的结果可为新型二次电池的正极结构设计提供指导。

    上述研究成果已在线发表在ACS Applied Materials & Interfaces（IF=8.097，工程技术大类一区），文章通讯作者为“极端条件材料模拟研究中心”的刘智骁助理教授、邓辉球教授与胡望宇教授。

    链接为https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b18555。

图1 (10,10)单壁碳纳米管中Na₂Se的脱钠过程。

图2 （10,10）单壁碳纳米管中钠硒化合物的态密度分布。脱钠75%以后，钠硒化合物由电子的导体转变为绝缘体

图3 Na_x<1.5Se中空穴极化子的分布。