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電池頂刊集錦!楊劍、龐全全、王建軍、支春義、焦樹(shù)強(qiáng)、劉金平、Seok Woo Lee、歐陽(yáng)曉平等成果

1. Angewandte Chemie International Edition:動(dòng)態(tài)鋅/電解液界面及溶膠電解質(zhì)增強(qiáng)的陽(yáng)離子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)全天候水系鋅金屬電池
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鋅金屬作為有前途的水系電池負(fù)極之一,具有顯著的優(yōu)勢(shì),但它面臨著嚴(yán)重的副反應(yīng)和臭名昭著的枝晶生長(zhǎng)等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
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在此,山東大學(xué)楊劍教授&汪冬冬等人探索了α-磷酸鋯(ZrP)超薄納米片作為電解液添加劑。納米片不僅在Zn電池中形成動(dòng)態(tài)且可逆的界面,而且還促進(jìn)電解質(zhì)中Zn2+的傳輸,特別是在ZrP附近的外亥姆霍茲平面上。
受益于增強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)和動(dòng)態(tài)界面,在以鋅粉為負(fù)極、有限N/P比、高質(zhì)量負(fù)載和寬溫度等惡劣條件下,使用該電解質(zhì)的Zn||LiMn2O4軟包電池表現(xiàn)出顯著改善的電化學(xué)性能。
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圖1. 超薄納米片(ZrP)的結(jié)構(gòu)表征及BE-ZrP的物理性質(zhì)
具體而言,本工作在室溫下通過(guò)簡(jiǎn)單的胺輔助插層法制備了ZrP超薄納米片,并將其加入堿性電解質(zhì)中形成溶膠電解質(zhì)。電解液中的ZrP由于提高了外亥姆霍茲平面的電荷遷移率,大大提高了Zn2+的電荷轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)移數(shù)。同時(shí),電解液中的ZrP在循環(huán)過(guò)程中可以在Zn/電解質(zhì)界面動(dòng)態(tài)吸附/解吸。動(dòng)態(tài)界面相不僅減少了ZrP的損耗,而且抑制了副反應(yīng),促進(jìn)了Zn2+的均勻沉積。
因此,制得的溶膠電解質(zhì)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。以BE-ZrP為電解液的Zn||LMO軟包電池在有限N/P為3、高負(fù)極質(zhì)量(10-20 mg cm-2)和寬溫度(-20℃~50℃)等惡劣條件下均表現(xiàn)出強(qiáng)的循環(huán)穩(wěn)定性。并且,通過(guò)對(duì)鋅鹽、鋅負(fù)極和正極材料的優(yōu)化,可以進(jìn)一步提高其性能。
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圖2. 基于BE-ZrP溶膠電解質(zhì)的電化學(xué)性能
Dynamic Zn/Electrolyte Interphase and Enhanced Cation Transfer of Sol Electrolyte for All-Climate Aqueous Zinc Metal Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202308068

2. Nature Communications:溶液到固體的轉(zhuǎn)化化學(xué)物質(zhì)可實(shí)現(xiàn)超快速充電和長(zhǎng)壽命的熔鹽鋁電池

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電池中傳統(tǒng)的固-固轉(zhuǎn)換型正極存在擴(kuò)散/反應(yīng)動(dòng)力學(xué)差、體積變化大和結(jié)構(gòu)嚴(yán)重退化的問(wèn)題,特別是可充電鋁電池(RAB)。
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在此,北京大學(xué)龐全全教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一類(lèi)高容量氧化還原電對(duì),其特點(diǎn)是溶液到固體的轉(zhuǎn)化類(lèi)型,作為正極具有良好控制的溶解度,該電解質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)快速充電和長(zhǎng)壽命的 RAB。?
具體而言,該工作展示了一種高度可逆的氧化還原電對(duì):高溶解度的 InCl 和微溶的 InCl3——它表現(xiàn)出約 327 mAh g?1 的高容量,在 1 C、150°C 條件下電池的過(guò)電勢(shì)僅為 35 mV。?此外,電池在 20 C 倍率下經(jīng)過(guò) 500 次循環(huán)后幾乎沒(méi)有容量衰減且可以在 50 C 下維持 100 mAh g?1。
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圖1. 熔鹽電解質(zhì)中銦轉(zhuǎn)化電化學(xué)的電化學(xué)表征
總之,該工作報(bào)道了在RABs中成功實(shí)現(xiàn)溶液到固體的轉(zhuǎn)化化學(xué)且具有快速充電能力和長(zhǎng)壽命。這種溶液到固體的反應(yīng)有效地解決了傳統(tǒng)電極固體到固體轉(zhuǎn)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢的問(wèn)題。基于這種具有高度可逆InCl和固體InCl3化學(xué)反應(yīng)的RAB表現(xiàn)出快速充電容量能力(50 C時(shí)~100 mAh g?1)和穩(wěn)定的循環(huán)(充電500次循環(huán)后沒(méi)有容量衰減)。因其能夠控制 In+/InCl3 的溶解度,因此 RAB 中使用的氯鋁酸鹽熔融電解質(zhì)至關(guān)重要。?
此外,氯鋁酸鹽熔融電解質(zhì)在中等溫度下的快速Al3+去溶劑化動(dòng)力學(xué)對(duì)快速充電能力有顯著貢獻(xiàn)。?總之,不可燃的無(wú)機(jī)熔體確保了電池的本質(zhì)安全,一定程度上推動(dòng)了電網(wǎng)規(guī)模的應(yīng)用發(fā)展。
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圖2. 基于溶液到固體轉(zhuǎn)化電化學(xué)的 Al|ACC/InCl 電池的電化學(xué)性能
A solution-to-solid conversion chemistry enables ultrafast-charging and long-lived molten salt aluminium batteries, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-39258-y

3. Energy & Environmental Science:共晶電解質(zhì)原位生成梯度固態(tài)電解質(zhì)界面實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)壽命Zn//V2O5電池

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可充電含水鋅離子電池(AZIBs)由于其優(yōu)越的安全性、豐富的鋅資源和成本效益,是未來(lái)電池技術(shù)的一個(gè)有前途的候選。然而,由于復(fù)雜混亂的界面化學(xué)環(huán)境和不可控的枝晶生長(zhǎng)導(dǎo)致較差的可逆性和有限的循環(huán)壽命,阻礙了它們的廣泛應(yīng)用。
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在此,山東大學(xué)王建軍教授、劉宏教授,東北師范大學(xué)吳興隆教授等團(tuán)隊(duì)基于界面化學(xué)和配位化學(xué)設(shè)計(jì)了一種混合共晶電解質(zhì),通過(guò)整合原位生成的梯度有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化固體-電解質(zhì)界面(GHS)來(lái)穩(wěn)定ZMA。
電解液由BF4和DME組成,占據(jù)了鋅離子的溶劑層,破壞了氫鍵網(wǎng)絡(luò)。具有不同熱力學(xué)穩(wěn)定性的不同物種通過(guò)界面化學(xué)反應(yīng)在ZMA上原位形成梯度有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化SEI層。SEI層能有效阻擋水分子和陰離子的滲透,抑制HER和ZMA的鈍化。此外,GHS層可以調(diào)節(jié)鋅離子的遷移并使鋅離子流動(dòng)正?;?,從而形成高度定向的鋅沉積層。
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圖1. 作用機(jī)制探究
具體而言,該工作引入了一種集成的共晶電解液,通過(guò)原位化學(xué)重構(gòu)在鋅負(fù)極上構(gòu)建了梯度有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化SEI(GHS)層。揭示了配位狀態(tài)下物種的熱力學(xué)平衡與GHS層演化之間的關(guān)系。具有梯度結(jié)構(gòu)和成分的GHS層減輕了鋅負(fù)極的腐蝕和鈍化,并減少了析氫反應(yīng)。
此外,優(yōu)化了鋅離子在界面的擴(kuò)散行為,允許沿(002)晶面外延沉積鋅離子以消除鋅枝晶的生長(zhǎng),進(jìn)而獲得一種超穩(wěn)定的鋅負(fù)極,在1200次循環(huán)中,CE大幅提高了99.8%,在5 mA cm-2時(shí),累積沉積容量達(dá)到5.57Ah cm-2。鋅//V2O5電池22000次循環(huán)的超長(zhǎng)壽命證明了這種方法的有效性??傊?,該工作提供了一種有前途的方法來(lái)優(yōu)化電解質(zhì)化學(xué)和 EEI 環(huán)境,從而提高ZMA 的壽命和穩(wěn)定性。
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圖2. Zn//V2O5全電池的電化學(xué)性能
Eutectic Electrolyte towards Ultralong-Lived Zn//V2O5 Cell: In-Situ Generated Gradient Solid–electrolyte Interphase, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d3ee01447a

4. Advanced Materials:解鎖高性能銨離子電池:激活層內(nèi)通道以增強(qiáng)離子存儲(chǔ)和遷移

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利用非金屬銨離子的銨離子電池已成為當(dāng)下有前途的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而,由于高性能銨離子儲(chǔ)存材料的稀缺性,它們的發(fā)展受到了阻礙。
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在此,香港城市大學(xué)支春義教授、深圳大學(xué)劉卓鑫研究員以及松山湖材料實(shí)驗(yàn)室李洪飛研究員等人提出了一種利用電化學(xué)相變方法原位合成層狀VOPO42H2O(E-VOPO)。其主要生長(zhǎng)在(200)平面上,對(duì)應(yīng)于(001)層上的四方通道。研究結(jié)果表明,四邊形層內(nèi)通道不僅提供了NH4+的儲(chǔ)存位點(diǎn),而且提供快速的跨層遷移途徑提高了轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)。
因此,得到的E-VOPO電極具有優(yōu)異的氨存儲(chǔ)性能:顯著增加的比容量,增強(qiáng)的倍率能力和強(qiáng)大的循環(huán)穩(wěn)定性。組裝的全電池可以穩(wěn)定運(yùn)行12500次,在2Ag-1下超過(guò)70天。
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圖1. E-VOPO和VOPO的電化學(xué)性能
總之,該工作提出了一種新的電化學(xué)相變方法來(lái)合成EVOPO。重點(diǎn)突出了(200)平面和層內(nèi)四邊形通道在E-VOPO中的重要作用,它們不僅有利于NH4+離子的儲(chǔ)存,而且加速了它們的遷移。所制得的E-VOPO電極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能,包括大比容量(在0.2Ag-1時(shí)從61.7 mAh g-l增加到122.4 mAh g-l)和顯著的倍率容量(在20Ag時(shí)47.4 mAh g-1,對(duì)應(yīng)2920 W kg),超過(guò)或與最先進(jìn)的儲(chǔ)存材料相媲美。
此外,該電極還表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性(在三電極配置下1500次循環(huán)后容量保持率為92.4%,在CuFePBA//E-VOPO全電池中12500次循環(huán)超過(guò)70天后容量保持率為75.3%)。因此,該工作強(qiáng)調(diào)了精心設(shè)計(jì)電極材料以增強(qiáng)離子在層內(nèi)途徑的儲(chǔ)存和遷移的重要性。同時(shí)為潛在的NH4+儲(chǔ)存機(jī)制提供了有價(jià)值的見(jiàn)解,為開(kāi)發(fā)更有效和可持續(xù)的離子儲(chǔ)存材料鋪平了道路。
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圖2. 全電池的電化學(xué)性能
Unlocking High-Performance Ammonium-Ion Batteries: Activation of In-Layer Channels for Enhanced Ion Storage and Migration, Advanced Material 2023 DOI: 10.1002/adma.202304209

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5. Advanced Materials:用于快速存儲(chǔ)波動(dòng)能量的碳?xì)饽z輕質(zhì)鋁電池

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鋁電池具有成本低、容量大、安全等優(yōu)點(diǎn),具有很大的可再生能源存儲(chǔ)潛力。高能量密度和對(duì)波動(dòng)電力的適應(yīng)性是主要的挑戰(zhàn)。
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在此,北京科技大學(xué)焦樹(shù)強(qiáng)&王明涌團(tuán)隊(duì)基于新型分層多孔無(wú)枝晶碳?xì)饽z膜(CAF)負(fù)極和集成石墨復(fù)合碳?xì)饽z膜(GCAF)正極構(gòu)建了一種用于快速存儲(chǔ)波動(dòng)能量的輕質(zhì)鋁電池。證實(shí)了CAF負(fù)極上含O官能團(tuán)的新誘導(dǎo)機(jī)制可實(shí)現(xiàn)均勻的Al沉積。與傳統(tǒng)涂層正極相比,GCAF正極由于石墨材料的負(fù)載質(zhì)量極高(9.5–10.0 mg cm-2)而具有更高的質(zhì)量利用率。
同時(shí),GCAF正極的體積膨脹較小,從而具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性。輕質(zhì)的CAF‖GCAF全電池由于其分級(jí)多孔結(jié)構(gòu),可以很好地適應(yīng)大且波動(dòng)的電流密度。同時(shí)獲得了2000次循環(huán)后的高放電容量(115.6 mAh g-1)和高電流密度下的短充電時(shí)間(7.0 min)。
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圖1. 通過(guò)吸附AlCl3-xx+離子,含氧官能團(tuán)在CAF負(fù)極上誘導(dǎo)鋁沉積的新機(jī)制
具體而言,該工作設(shè)計(jì)了一種新型自支撐分層多孔CAF作為負(fù)極和GCAF作為正極來(lái)構(gòu)建輕質(zhì)鋁電池。CAF作為主體負(fù)極,在2500小時(shí)內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的沉積/剝離行為?;贑AF上的含O官能團(tuán)和AlCl3-xx+離子之間的有效吸附,提出并證實(shí)了一種無(wú)枝晶Al沉積的新誘導(dǎo)機(jī)制,從而產(chǎn)生了豐富且均勻的Al沉積活性位點(diǎn)。此外,具有高載量(約10.0 mg cm-2)的集成GCAF正極在900次循環(huán)后表現(xiàn)出較大的比容量(111.4 mAh g-1),并且在大循環(huán)次數(shù)下表現(xiàn)出極高的面容量(1.1 mAh cm-2)。
特別是,與GP正極50倍的大體積膨脹相比,GCAF正極幾乎不發(fā)生體積膨脹。低成本、輕量化的CAF‖GCAF全電池對(duì)500~1000 mA g-1范圍內(nèi)的波動(dòng)電流具有良好的適應(yīng)性,并具有7.0 min的快速充電能力。在1000 mA g-1的高電流密度下循環(huán)2000次后,放電容量保持在115.6 mA g-1。因此,該工作促進(jìn)了快速存儲(chǔ)波動(dòng)的高能量密度鋁電池的發(fā)展。
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圖2. 高容量、波動(dòng)、大電流密度快速充電CAF‖GCAF全電池
Carbon Aerogel Lightweight Al Battery for Fast Storage of Fluctuating Energy, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202303943

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6. Angewandte Chemie International Edition :具有界面化學(xué)調(diào)節(jié)功能的聚烯烴基隔膜適用于堅(jiān)固的鉀金屬電池

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因鉀金屬的電化學(xué)電位低且成本低,鉀金屬電池(KMB)成為高能量密度存儲(chǔ)系統(tǒng)的理想選擇。然而,KMB的實(shí)際應(yīng)用受到內(nèi)在活性K負(fù)極的影響。
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在此,武漢理工大學(xué)劉金平教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種通用的策略,通過(guò)引入定制設(shè)計(jì)的具有多個(gè)功能單元金屬有機(jī)骨架(MOF),使商用聚烯烴隔膜具有所需的特性以用于KMBs。引入的MOF提供了一系列所需的特性來(lái)抑制鉀枝晶,整體的MOF涂層提高了隔膜的彈性模量,引入的官能團(tuán)和明確定義的孔控制著離子物種在電解液中的傳輸和分布。這些功能單元在改性層中的協(xié)同作用有效地提高了KMBs的性能。
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圖1. 功能隔膜物理化學(xué)表征
具體而言,該工作提出了一種使用功能單元對(duì)隔膜改性的策略,以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的KMBs。納米功能層的引入不僅提高了K+的導(dǎo)電性,而且使負(fù)極-電解液-隔膜界面K+的分布更加均勻。
同時(shí),涂層提高了隔膜的彈性模量,表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗枝晶生長(zhǎng)能力。通過(guò)使用該功能隔膜,不同的KMBs系統(tǒng)顯示出優(yōu)越的倍率和穩(wěn)定的長(zhǎng)期循環(huán)性能。因此,這種新型的PEP-NM隔膜有望替代目前用于KMBs的厚而昂貴的玻璃纖維隔膜。
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圖2. 基于普魯士藍(lán)鉀納米顆粒正極的全電池性能
Polyolefin-Based Separator with Interfacial Chemistry Regulation for Robust Potassium Metal Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202306325

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7. Advanced Materials:通過(guò)熱再生電化學(xué)循環(huán)中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)熵提高低級(jí)熱量收集的效率

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大部分廢熱能以低品位熱量(<100°C)的形式存在,使用傳統(tǒng)的能量收集系統(tǒng)很難將其轉(zhuǎn)化為可用能源。熱再生電化學(xué)循環(huán)(TREC)集成了電池和熱能收集功能,被認(rèn)為是低品位熱量收集的一個(gè)有吸引力的系統(tǒng)。
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在此,韓國(guó)蔚山國(guó)立科技大學(xué) Dong-Hwa Seo、Hyun-Wook Lee&新加坡南洋理工大學(xué) Seok Woo Lee等人研究了結(jié)構(gòu)振動(dòng)模式在增強(qiáng) TREC 系統(tǒng)功效中的作用。?同時(shí)分析了受結(jié)構(gòu)水分子數(shù)量影響的鍵合價(jià)的變化是如何影響振動(dòng)模式。?
研究發(fā)現(xiàn),即使是少量的水分子也能誘導(dǎo)具有強(qiáng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)能的氰化物配體的 A1g 伸縮模式,這對(duì) TREC 系統(tǒng)中較大的溫度系數(shù)(ɑ)有顯著貢獻(xiàn)。?利用這些見(jiàn)解,該工作設(shè)計(jì)并實(shí)施了一種使用鈉離子水電解質(zhì)的高效 TREC 系統(tǒng)。
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圖1. TREC的原理和水分子在PBA結(jié)構(gòu)中的作用
總之,該工作提出了一種 TREC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì),該系統(tǒng)通過(guò)控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)熵的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率。?研究結(jié)果表明,受結(jié)構(gòu)中水分子數(shù)量影響的結(jié)構(gòu)振動(dòng)模式在確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)熵變程度方面起著重要作用。?通過(guò)拉曼光譜分析和計(jì)算模擬的結(jié)合,確定配位和間隙水分子具有調(diào)節(jié)過(guò)渡金屬和氰化物配體的共價(jià)性的能力。?
在沒(méi)有這些水分子的情況下,Cu-N鍵中較強(qiáng)的共價(jià)鍵和Fe-C鍵中較弱的共價(jià)鍵增強(qiáng)了A1g振動(dòng)模式,導(dǎo)致更高的結(jié)構(gòu)能和大的結(jié)構(gòu)熵變。?因此,通過(guò)利用其固有特性可以設(shè)計(jì)出具有高熱電轉(zhuǎn)換效率的 TREC 系統(tǒng)。該研究為 TREC 系統(tǒng)的潛力提供了寶貴的見(jiàn)解,同時(shí)更深入地了解受結(jié)構(gòu)振動(dòng)模式調(diào)節(jié)的普魯士藍(lán)類(lèi)似物 (PBA) 的內(nèi)在特性,為增強(qiáng) TREC 系統(tǒng)的能量收集能力開(kāi)辟了新的途徑。
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圖2. TREC全電池演示
Enhancing Efficiency of Low-Grade Heat Harvesting by Structural Vibration Entropy in Thermally Regenerative Electrochemical Cycles, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202303199

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8. Advanced Materials: 氟化石墨烯納米片的表面工程使超快鋰/鈉/鉀一次電池成為可能

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氟化碳(CF?x)被認(rèn)為是一種有前途的鋰/鈉/鉀原電池正極材料,具有優(yōu)異的理論能量密度。然而,由于高度氟化的CF x中C-F鍵的強(qiáng)共價(jià)性,因此實(shí)現(xiàn)高能量和功率密度仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
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在此,湘潭大學(xué)歐陽(yáng)曉平研究員、潘勇教授、潘俊安等人結(jié)合表面脫氟和氮摻雜的有效表面工程策略使氟化石墨烯納米片(DFG-N)具有可控的導(dǎo)電納米層和可控的C-F鍵。DFG-N為鋰原電池提供了前所未有的雙重性能,在50 C的超快倍率下,功率密度為77456 W kg-1,能量密度為1067 Wh kg-1,這是迄今為止報(bào)道的最高水平。?
DFG-N 的鈉原電池和鉀原電池在 10 C 時(shí)分別實(shí)現(xiàn)了 15256 W kg-1 和 17881 W kg-1 的創(chuàng)紀(jì)錄功率密度。?表征結(jié)果和密度泛函理論計(jì)算表明,DFG-N的優(yōu)異性能歸因于表面工程策略,該策略在不犧牲高氟含量的情況下顯著提高了電子和離子電導(dǎo)率。?
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圖1. DFG-N的結(jié)構(gòu)表征
總之,該工作對(duì)氟化石墨烯納米片進(jìn)行了一種有效的表面工程策略,該策略結(jié)合表面脫氟和氮摻雜來(lái)構(gòu)建具有厚度可控的納米級(jí)導(dǎo)電層,以增強(qiáng)電子和離子電導(dǎo)率。采用表面工程技術(shù)從FG中獲得納米片結(jié)構(gòu)的DFG-N材料,保留了高氟含量、高N摻雜含量、層間間距擴(kuò)大、潤(rùn)濕性好、比表面積大、電化學(xué)活性的C-F鍵等優(yōu)勢(shì)。因此,首次在Li/CFx原電池中實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高功率密度。Li/DFG-N電池在50 C的超快倍率下具有77456Wkg-1的功率密度,在1C下具有1828 Wh kg1的超高能量密度。
此外,在Na/CFx和K/CFx電池中實(shí)現(xiàn)了前所未有的放電倍率(10C)和超高功率能量(SPBs為15256 W kg-l,PPBs為17881Wkg-l),高于文獻(xiàn)報(bào)道的多數(shù)L/CFX電池。因此,該工作展示了一種通過(guò)表面工程實(shí)現(xiàn)超高功率密度而不降低氟含量和能量密度的策略,并為開(kāi)發(fā)先進(jìn)的超快Li/Na/K一次電池指明了道路。
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圖2.電池性能
Surface Engineering of Fluorinated Graphene Nanosheets Enables Ultrafast Lithium/Sodium/Potassium Primary Batteries, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202303444

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