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中南大學(xué)吳飛翔Nature子刊：致密的鈣鈦礦SrTiO3水系電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)高電壓鋅離子電池

傳統(tǒng)的弱酸性鋅離子電池電解質(zhì)存在許多問(wèn)題，如不良副反應(yīng)和鋅枝晶的不均勻生長(zhǎng)，導(dǎo)致庫(kù)侖效率低、比容量低和循環(huán)穩(wěn)定性差等。

在此，中南大學(xué)吳飛翔教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種水性致密電解質(zhì)，即添加了鈣鈦礦SrTiO₃粉末的常規(guī)水性電解質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)高性能的水性鋅離子電池。該種致密電解質(zhì)具有降低水分子活性、提高了Zn²⁺轉(zhuǎn)化率以及誘導(dǎo) Zn (002) 均勻沉積的獨(dú)特性能。因此，致密化電解質(zhì)在Zn/Ti半電池中表現(xiàn)出超過(guò)1000次循環(huán)的超長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。

此外，這種致密化電解質(zhì)還能使 Zn/MnO₂電池在擴(kuò)展電壓范圍內(nèi)循環(huán)500次后，在1 A g^-1電流條件下達(dá)到328.2 mAh g^-1的高比容量。

圖1. 水性致密電解質(zhì)的性能

總之，該工作通過(guò)將SrTiO₃引入常規(guī)水系電解質(zhì)中開(kāi)發(fā)了一種致密水系電解質(zhì)。由于SrTiO₃破壞了自由水的H鍵網(wǎng)絡(luò)，削弱了水分子在溶劑化殼層中的反應(yīng)活性，致密的電解質(zhì)抑制了副反應(yīng)，抑制了界面腐蝕和鈍化。此外，Zn²⁺遷移數(shù)的增加改善了電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，即使在大電流密度和低溫下也是如此。

結(jié)果表明，Zn/Zn對(duì)稱電池在2mA cm^-2和1mAh cm^-2下，在致密電解質(zhì)中暴露最多的Zn(002)面能穩(wěn)定工作2000h以上。而Zn/Ti半電解槽在1000次循環(huán)中循環(huán)穩(wěn)定性顯著，CE高達(dá)99.6%。此外，在0.8~2.0V的電壓范圍內(nèi)，高壓Zn/MnO₂全電池具有長(zhǎng)期的循環(huán)穩(wěn)定性和超高的比表面積。因此，致密水系電解質(zhì)顯著改善了高壓鋅離子電池的電化學(xué)性能，為水電池的電解質(zhì)優(yōu)化提供了一種新的設(shè)計(jì)思路和解決方案。

圖2. Zn/MnO₂全電池的電化學(xué)性能與表征

An aqueous electrolyte densified by perovskite SrTiO3 enabling high-voltage zinc-ion batteries, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-40462-z

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