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8篇電池頂刊:潘鋒、魯兵安、陳仕謀、許武、張繼光、何冠杰、曹敏花、劉明賢等成果!

電池成果頂刊集錦

1. 許武/張繼光AFM:雙層鋰負(fù)極保護(hù)策略實(shí)現(xiàn)高倍率鋰金屬電池
8篇電池頂刊:潘鋒、魯兵安、陳仕謀、許武、張繼光、何冠杰、曹敏花、劉明賢等成果!
盡管鋰金屬負(fù)極(LMA)具有超高的理論比容量和極低的電化學(xué)氧化電位,但固體電解質(zhì)間相(SEI)的不均勻性、”死”鋰的形成以及電解液的持續(xù)消耗仍然阻礙了LMA的實(shí)際應(yīng)用。
太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室許武、張繼光等受聚環(huán)氧乙烷(PEO)化學(xué)/結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)的吸引,提出了一個(gè)雙層(DL)涂層的LMA保護(hù)概念。
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圖1 DL涂層的作用
研究顯示,DL由提供均勻離子傳輸?shù)腜EO基底層(BL)和保持DL機(jī)械完整性的交聯(lián)頂層(TL)組成,它們減少了鋰金屬與液態(tài)電解液之間的副反應(yīng)。因此,DL@Li允許形成一個(gè)穩(wěn)定的SEI層,以防止電解液的滲透,其主要由LiF和Li2O組成。此外,DL@Li在沉積后表現(xiàn)出更光滑的表面,比裸Li顆粒更大。結(jié)果,在DL的物理化學(xué)特征的驅(qū)動(dòng)下,DL@Li||NMC622電池顯示出卓越的循環(huán)性,在電流密度為2.1 mA cm-2(C/2倍率)的情況下,經(jīng)過(guò)220次循環(huán)后容量保持率為92.4%,LMA的表面保持光滑,NMC622的正極結(jié)構(gòu)也保存良好。
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圖2 DL@Li的電化學(xué)穩(wěn)定性和鋰的沉積行為
此外,值得注意的是,由于均勻的離子通量和減少的副反應(yīng),DL@Li||NMC622電池在6.9 mA cm-2(1.5C倍率)的高電流密度下充電后達(dá)到了126.0 mAh g-1的較高放電容量。據(jù)悉,在高面積容量負(fù)載的Li||NMC622電池中還沒(méi)有報(bào)道過(guò)如此出色的電化學(xué)性能。作者相信,這種定制的DL保護(hù)可以有效地解決高倍率和高能量密度鋰金屬電池的艱巨挑戰(zhàn)。
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圖3 Li||LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2電池的電化學(xué)循環(huán)性
High Current-Density-Charging Lithium Metal Batteries Enabled by Double-Layer Protected Lithium Metal Anode. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202207172
2. 何冠杰/柴國(guó)良AEM:超穩(wěn)定水系鋅離子電池,5000次循環(huán)容量保持92%
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采用預(yù)適配陽(yáng)離子的層狀錳氧化物作為水系鋅離子電池(AZIBs)的正極引起了巨大的興趣,因?yàn)槠溟_放的二維通道可以實(shí)現(xiàn)快速的離子擴(kuò)散,并且在拓?fù)浠瘜W(xué)(脫)插層過(guò)程中具有溫和的相變。然而,由于與主體內(nèi)帶負(fù)電的亥姆霍茲平面的松散相互作用以及二維結(jié)構(gòu)中客體(脫)插層時(shí)的剪切/膨脹效應(yīng),不可避免地會(huì)看到這些“柱”陽(yáng)離子從主體中浸出,這意味著需要合適的調(diào)節(jié)以防止它們快速性能衰減。
倫敦瑪麗女王大學(xué)何冠杰、中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所柴國(guó)良等首次提出了一類新的超結(jié)構(gòu)層狀錳氧化物,Mg0.9Mn3O7·2.7H2O,旨在實(shí)現(xiàn)高性能AZIBs的強(qiáng)大正極。
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圖1 Mg0.9Mn3O7·2.7H2O的結(jié)構(gòu)和形態(tài)表征
研究顯示,Mg0.9Mn3O7·2.7H2O在0.2 A g-1和5 A g-1時(shí),可以實(shí)現(xiàn)312 mAh g-1和132 mAh g-1的高比容量,以及5000次循環(huán)后92%容量保持率的出色循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí),其卓越的倍率能力和晶格結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)零體積變化進(jìn)一步驗(yàn)證了其在實(shí)際應(yīng)用中作為一種有前景的正極主體的可行性。
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圖2 電化學(xué)性能比較
作者進(jìn)一步通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)層狀錳氧化物(δ-Mg2Mn14O27·nH2O、δ-MnO2·nH2O和δ-Na0.55Mn2O4·2.4H2O)和Mg0.9Mn3O7·2.7H2O的結(jié)構(gòu)/化學(xué)演變和電化學(xué)性能的原位實(shí)驗(yàn)和理論比較,詳細(xì)討論了超結(jié)構(gòu)正極材料的優(yōu)點(diǎn)。研究表明,微觀結(jié)構(gòu)對(duì)性能的改善源于網(wǎng)狀MnO6和MgO6鏈的特定二維特征以及內(nèi)置的Mn空位,它們賦予了氫鍵穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)和過(guò)渡金屬層的水平釘住效應(yīng)。因此,與以前報(bào)道的錳基正極相比,這種堅(jiān)固的框架具有較少的錳遷移和準(zhǔn)零的晶格體積變化,有助于提高電化學(xué)性能??傊?,這些發(fā)現(xiàn)為開發(fā)可逆AZIBs的層狀過(guò)渡金屬氧化物的超級(jí)結(jié)構(gòu)提供了新的見解。
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圖3 Mg0.9Mn3O7·2.7H2O的非原位表征
Hydrogen-Bond Reinforced Superstructural Manganese Oxide As the Cathode for Ultra-Stable Aqueous Zinc Ion Batteries. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202201840
3. 曹敏花/毛寶光Nature子刊:基于應(yīng)變調(diào)節(jié)的可逆鈉電硫?qū)倩镓?fù)極
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調(diào)控用于儲(chǔ)能的過(guò)渡金屬硫?qū)倩锏目赡嫜趸€原化學(xué)通常面臨著巨大的挑戰(zhàn),因?yàn)楹茈y直接調(diào)節(jié)放電產(chǎn)物。
北京理工大學(xué)曹敏花、毛寶光等報(bào)道了拉伸應(yīng)變的MoSe2(TS-MoSe2)可以作為宿主將其應(yīng)變轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的放電產(chǎn)物Mo上,從而有助于調(diào)節(jié)吉布斯自由能變化(ΔG)并實(shí)現(xiàn)可逆的鈉存儲(chǔ)機(jī)制。
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圖1 理論計(jì)算
具體而言,在該研究中,2-甲基咪唑(2-MI)被選擇通過(guò)其強(qiáng)大的配體效應(yīng)對(duì)研究對(duì)象(Mo和MoSe2)施加應(yīng)變。研究顯示,繼承應(yīng)變會(huì)造成Mo的晶格畸變,從而調(diào)整d帶中心上移,使其更接近費(fèi)米水平,以增強(qiáng)Na2Se的吸附性,從而導(dǎo)致Mo/Na2Se和MoSe2之間氧化還原化學(xué)的ΔG下降。
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圖2 放電和充電過(guò)程的非原位XPS 和原位拉曼光譜研究
因此,TS-MoSe2顯示出高度可逆的鈉存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換機(jī)制,而其對(duì)應(yīng)物(無(wú)約束的MoSe2)在充電過(guò)程中不能被恢復(fù)。更令人印象深刻的是,TS-MoSe2在廣泛的溫度范圍內(nèi)(50至-30 °C)實(shí)現(xiàn)了高倍率容量和出色的循環(huán)穩(wěn)定性??傊@項(xiàng)工作為轉(zhuǎn)換型TMDs的堿金屬離子儲(chǔ)能研究提供了一個(gè)方向,這對(duì)合理設(shè)計(jì)高性能電極材料至關(guān)重要。
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圖3 電化學(xué)性能
Strain-regulated Gibbs free energy enables reversible redox chemistry of chalcogenides for sodium ion batteries. Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33329-2
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4. 同濟(jì)劉明賢AFM:超長(zhǎng)壽命鋅離子存儲(chǔ),400000次循環(huán)后容量保持96.8%!
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高親鋅和穩(wěn)定的碳支架的定制納米架構(gòu)對(duì)于具有雙高超電容活性和耐久性的鋅離子存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要,但仍然具有挑戰(zhàn)性。
同濟(jì)大學(xué)劉明賢等報(bào)告了一種路易斯對(duì)相互作用引導(dǎo)的自組裝策略,以設(shè)計(jì)激活鋅存儲(chǔ)點(diǎn)的碳超結(jié)構(gòu)。
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圖1 碳超結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程及形貌表征
具體而言,通過(guò)氯化鐵(FeCl3,路易斯酸)和對(duì)苯二甲醇(PDM,路易斯堿)之間的相互作用,通過(guò)H-鍵和π-π堆疊可定制聚合物超結(jié)構(gòu)。該聚合物的上層結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的,并且可以方便地進(jìn)行碳化,以獲得具有良好繼承幾何形狀的高孔隙碳。該碳超結(jié)構(gòu)具有納米觸手交織的多孔模塊和堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò),可提供高效的親鋅活性位點(diǎn)和大量的主客體交互界面,以用于激活卓越的電容電荷存儲(chǔ)。
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圖2 熱解后獲得的碳超結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)表征
因此,制備的鋅離子雜化電容器 (ZHCs)收獲了電化學(xué)指標(biāo)的全面改善,包括優(yōu)異的倍率能力(100 A g-1)、高能量密度(161.2 Wh kg-1,基于正極)和持久的穩(wěn)定性(400000次循環(huán)后96.8%的容量保持率)。實(shí)驗(yàn)表征和理論模擬的結(jié)合將異常高能量存儲(chǔ)的根源確定為在親鋅位點(diǎn)交替吸收相反電荷以及在超穩(wěn)碳超結(jié)構(gòu)中異雙原子基序與鋅離子的多電子氧化還原反應(yīng)。這項(xiàng)工作中提出的設(shè)計(jì)策略為定制高性能的碳超結(jié)構(gòu)開辟了新的機(jī)會(huì),并突出了它們?cè)阡\基儲(chǔ)能裝置中的應(yīng)用前景。
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圖3 水系ZHC的電化學(xué)性能評(píng)估
Lewis Pair Interaction Self-Assembly of Carbon Superstructures Harvesting High-Energy and Ultralong-Life Zinc-Ion Storage. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202208049
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5. 魯兵安/劉全慧/王星輝AEM:源于天然苧麻的高性能鉀電池纖維素隔膜!
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盡管鉀電池(KBs),如鉀金屬電池和鉀離子電池,有望實(shí)現(xiàn)低成本和高能量密度,但目前還沒(méi)有能夠滿足KBs運(yùn)行的專用隔膜。
湖南大學(xué)魯兵安、劉全慧、福州大學(xué)王星輝等通過(guò)對(duì)纖維素的天然超分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程設(shè)計(jì),獲得了一種具有高性能的分級(jí)多孔纖維素(HPC)隔膜。
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圖1 來(lái)自苧麻的新型HPC隔膜的示意圖和纖維素的超分子結(jié)構(gòu)
具體而言,選擇苧麻為原料,采用環(huán)保型 2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)介導(dǎo)的氧化和劇烈磁力攪拌,可將苧麻分解成纖維素納米原纖維(CNF),這也有助于去除木質(zhì)素和半纖維素。纖維素的超分子和分層結(jié)構(gòu)使隔膜具有高孔隙率、優(yōu)良的機(jī)械性能、優(yōu)異的電解液潤(rùn)濕性和穩(wěn)定的熱性能。小孔徑(0.64 μm)和合適的曲折度(1.83)的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的電流分布并抑制K枝晶的刺穿。
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圖2 K//K對(duì)稱電池的電化學(xué)性能
結(jié)果,K//K對(duì)稱電池的壽命超過(guò)1000小時(shí)而不發(fā)生短路。受益于高的K+轉(zhuǎn)移數(shù)(0.69),采用HPC隔膜的石墨//K和普魯士藍(lán)(PB)//K電池表現(xiàn)出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性(分別為400和200次循環(huán))和高倍率性能。此外,采用HPC隔膜的PB//石墨全電池在100次循環(huán)中可提供86 mAh g-1的可逆轉(zhuǎn)容量??傮w而言,這種新型HPC隔膜通過(guò)對(duì)植物進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)改造,為KBs和其他儲(chǔ)能系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供了可能。
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圖3 采用HPC隔膜的KIBs的電化學(xué)性能
Natural Supra-Molecular Structure Engineering for High-Performance Potassium Batteries Separator. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202357
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6. 深大/北大AFM:全面揭示鋰電池的產(chǎn)氣行為,邁向安全實(shí)際應(yīng)用!
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鋰電池產(chǎn)生的氣體對(duì)其電化學(xué)性能是不利的,尤其是在無(wú)人看守的失控條件下,容易造成氣體的突然積累(包括可燃?xì)怏w),從而引發(fā)爆炸和燃燒等安全問(wèn)題。全面了解不同條件下的電池產(chǎn)氣機(jī)制極為重要,有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)電極和電解液之間復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程的直觀認(rèn)知,為優(yōu)化電池性能提供有效策略。
深圳大學(xué)劉劍洪、張黔玲、胡江濤、北京大學(xué)深圳研究生院潘鋒等總結(jié)了有關(guān)電池產(chǎn)氣機(jī)制的最新進(jìn)展,并突出強(qiáng)調(diào)提高電池安全性的氣體抑制策略,還提出了未來(lái)產(chǎn)氣分析和抑制的新方法。預(yù)計(jì)該綜述將促進(jìn)鋰電池在性能、氣體抑制和安全方面的進(jìn)一步發(fā)展,特別是在高能量密度系統(tǒng)中。
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圖1 不同條件下的產(chǎn)氣過(guò)程及其對(duì)電池性能和安全性的影響
作者首先回顧了正極材料、負(fù)極材料和電解液的產(chǎn)氣機(jī)制,這使大家對(duì)普通電池系統(tǒng)的產(chǎn)氣情況有了全面和統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。同時(shí)總結(jié)了防止產(chǎn)氣的策略,包括電極材料和電解液之間的緩沖層構(gòu)建、電極材料的優(yōu)化和改性、電極元件和電解液的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、測(cè)試條件的調(diào)整等,為防止氣體的產(chǎn)生打開了視野,有望為更有效的氣體抑制策略提供參考。但僅僅依靠一兩種策略來(lái)完全抑制產(chǎn)氣是不容易的,因?yàn)閺碾姵刂杏^察到的氣體可能來(lái)自不同的部件,包括正極、負(fù)極、電解液、導(dǎo)電碳、殘余水等,這是一項(xiàng)巨大的產(chǎn)氣抑制工程,電池的每個(gè)部分都應(yīng)該特別注意。
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圖2 正極與電解液的界面化學(xué)反應(yīng)
氣體檢測(cè)和分析是解決鋰電池中產(chǎn)氣問(wèn)題的基礎(chǔ)。然而,最常采用的設(shè)備,差示電化學(xué)質(zhì)譜(DEMS),有很大的局限性,如電解液蒸發(fā)引起的氣體檢測(cè)時(shí)間有限,由于使用大量的電解液而與實(shí)際電池系統(tǒng)有偏差,收集的氣體產(chǎn)生結(jié)果的準(zhǔn)確性等,因此,進(jìn)一步改進(jìn)DEMS的測(cè)試是必要和重要的。
結(jié)合上述回顧和氣體檢測(cè)的不足,這項(xiàng)工作提出未來(lái)產(chǎn)氣分析和抑制的簡(jiǎn)短觀點(diǎn)如下:1)具有高精度的長(zhǎng)時(shí)間氣體測(cè)試能力,設(shè)計(jì)和開發(fā)多功能原位DEMS設(shè)備,該設(shè)備應(yīng)滿足以下要求,包括長(zhǎng)期持續(xù)測(cè)試、先進(jìn)的揮發(fā)性電解液冷凝和補(bǔ)充系統(tǒng)、氣體檢測(cè)的高靈敏度、標(biāo)準(zhǔn)和可重復(fù)的氣體測(cè)試協(xié)議;2)氣體測(cè)試過(guò)程的科學(xué)設(shè)計(jì),建議進(jìn)行全電池的產(chǎn)氣研究,通過(guò)研究氣體類別和含量來(lái)跟進(jìn)分析串?dāng)_反應(yīng);
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圖3 源于固態(tài)電解質(zhì)的產(chǎn)氣
3)全方位氣體測(cè)試的相關(guān)性討論,應(yīng)在正常工況和熱失控情況(高溫、過(guò)充、短路等)下對(duì)產(chǎn)氣進(jìn)行系統(tǒng)研究,這有利于建立兩種產(chǎn)氣機(jī)理之間的關(guān)聯(lián);4)聯(lián)合檢測(cè)的先進(jìn)技術(shù),需要在開發(fā)精確的檢測(cè)技術(shù)方面付出更多努力;5)多種產(chǎn)氣抑制方法,電池中產(chǎn)生的氣體源很多,因此在電池組裝前應(yīng)對(duì)所有可能產(chǎn)生氣體的組件進(jìn)行修改和優(yōu)化;6)對(duì)產(chǎn)氣的深入研究,正常情況和熱失控情況下的產(chǎn)氣機(jī)理分析和抑制方法可以抑制復(fù)雜的電池安全問(wèn)題,同時(shí)提高電化學(xué)性能。
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圖4 未來(lái)電池產(chǎn)氣分析的方向
Revealing Lithium Battery Gas Generation for Safer Practical Applications. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202208586
7. JACS:機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)適合全固態(tài)Li-S電池的固態(tài)電解質(zhì)
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鋰硫電池(LSB)是最有前景的儲(chǔ)能技術(shù)之一,因?yàn)槠涑杀镜?,硫?chǔ)量高。然而,多硫化物穿梭及其相應(yīng)的容量衰減問(wèn)題是其商業(yè)化的一個(gè)主要障礙。采用固態(tài)電解質(zhì)(SE)取代傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)是一個(gè)潛在的解決方案。
加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校王學(xué)彬、魯爾基理工學(xué)院Swastika Banerjee等利用基于密度泛函理論的計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)的原子間勢(shì),對(duì)全固態(tài)LSB中正極-電解質(zhì)界面的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了全面研究。
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圖1 用于界面MTP開發(fā)的被動(dòng)和主動(dòng)學(xué)習(xí)流程圖
總的來(lái)說(shuō),預(yù)測(cè)顯示,充電后的S8正極比完全放電的Li2S正極的反應(yīng)性要強(qiáng)得多。此外,預(yù)測(cè)表明,在幾種主要的固態(tài)電解質(zhì)(氧化物、硫化物、氮化物和鹵化物)中,硫化物SE通常對(duì)S8正極最穩(wěn)定,而其他SE化學(xué)成分則高度電化學(xué)不穩(wěn)定。如果由于其他原因需要使用其他的SE,一些二元和三元的硫化物(例如LiAlS2、Sc2S3、Y2S3)被預(yù)測(cè)為優(yōu)秀的緩沖層。
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圖2 基于不同電解質(zhì)/電極的反應(yīng)能(左)和體積變化百分比
最后,作者利用主動(dòng)學(xué)習(xí)方法開發(fā)了一個(gè)精確的機(jī)器學(xué)習(xí)原子間勢(shì)(ML-IAP)來(lái)研究S8|β-Li3PS4界面。大型界面模型(>1000s原子)的分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬顯示,最穩(wěn)定的Li3PS4(100)表面傾向于與S8形成具有二維通道和較低鋰擴(kuò)散激活障礙的界面??傮w而言,這些結(jié)果為下一代全固態(tài)LSB的正極-電解質(zhì)界面設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵的新見解。
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圖3 α-S8的電化學(xué)反應(yīng)能(左)和相應(yīng)的體積變化(右)
Thermodynamics and Kinetics of the Cathode–Electrolyte Interface in All-Solid-State Li–S Batteries. Journal of the American Chemical Society 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c07482
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8. 北化陳仕謀EES:離子液體添加劑延長(zhǎng)鋅電池35倍循環(huán)壽命!
8篇電池頂刊:潘鋒、魯兵安、陳仕謀、許武、張繼光、何冠杰、曹敏花、劉明賢等成果!
兩性離子液體(ZIL)含有共價(jià)結(jié)合的陽(yáng)離子和陰離子分子,具有潛在的電化學(xué)應(yīng)用。
北京化工大學(xué)陳仕謀等通過(guò)在電解液中加入ZIL添加劑,在鋅金屬電池的負(fù)極和正極的界面上構(gòu)建了一個(gè)自適應(yīng)的電雙層(EDL)。
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圖1 電解液設(shè)計(jì)
具體而言,在電解液中加入ZIL后,在電場(chǎng)作用下,陽(yáng)離子和陰離子分子可以選擇性地聚集在電極表面,從而在鋅負(fù)極上形成動(dòng)態(tài)靜電屏蔽層,而在正極上形成獨(dú)特的貧水界面。對(duì)一系列ZIL的篩選表明,3-(1-甲基咪唑)丙烷磺酸酯(ImS)增強(qiáng)了循環(huán)穩(wěn)定性,因?yàn)檫溥蜿?yáng)離子的π-π堆積形成的動(dòng)態(tài)靜電屏蔽層可以調(diào)節(jié)均勻的鋅沉積,并通過(guò)ImS的磺酸鹽提供新的Zn2+傳輸通道。原位表征和模擬計(jì)算的結(jié)合表明,ImS添加劑占據(jù)了有限的成核友好位點(diǎn),迫使Zn2+沉積在更多的相鄰位點(diǎn)上,從而改變了Zn2+在EDL中的傳輸路徑。此外,正極材料的溶解也被正極上的自適應(yīng)EDL明顯抑制。
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圖2 半電池性能
因此,受益于上述策略,Zn//Zn電池實(shí)現(xiàn)了無(wú)枝晶的沉積/剝離,與基礎(chǔ)電解液相比,運(yùn)行壽命提高了35倍(3500小時(shí)),并且在高電流密度(10 mA cm-2, 20 mAh cm-2)下,Zn的利用率超高(85%)。此外,Zn/NaV3O8·1.5H2O全電池顯示出超快的充放電速度(在20A g-1條件下進(jìn)行3000次循環(huán)后容量保持率為88%),并在高質(zhì)量負(fù)載正極(10.16 mg cm-2)下表現(xiàn)出3.38 mAh cm-2的超高面容量(540次循環(huán)后保持率為91.15%)。
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圖3 Zn//NVOH電池性能
Engineering Self-adaptive Electric Double Layer on Both Electrodes for High-Performance Zinc Metal Batteries. Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/d2ee02687b

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