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最新电池研究成果速览

作者:Mr. Curiosity 来源:能源学人 发布时间:2020-04-14 浏览:
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1. 悉尼科技大学汪国秀教授Nano Lett.: 一石二鸟的FeS2@C蛋黄壳结构复合材料用于高性能储钠和电磁波吸收

能源和环境是现代社会可持续发展的关键因素,其中高性能可充电电池在电能存储方面受到高度重视。目前,由于地球上具有丰富的钠(Na)储量,因此钠离子电池(SIBs)被认为是一个可以应用于千兆瓦规模储能的理想选择。近年来,科研人员开发出的高效SIB负极材料主要包括碳材料、过渡金属氧化物、过渡金属硫化物和合金材料,其中FeS2因具有较高的理论容量(894 mA h g–1)而备受关注。然而,该材料在反复钠化/脱钠过程总伴随着巨大的体积变化,因此导致电极的严重粉化和快速的容量衰减。因此,合理设计FeS2的结构与形貌,对其在SIBs中的应用至关重要。另一方面,高效电磁波(EMW)吸收材料在民用/军用电子设备和通信设施中也受到广泛的关注。但是单组份的金属硫化物由于较差界面阻抗失配和较小的比表面积,导致其损耗路径有限。通过含碳材料对过渡金属硫化物进行包覆以形成蛋黄壳结构,可以有效解决上述问题。因此,具有可控蛋黄壳结构的金属硫化物/碳复合材料可作为非常有前景的高效吸波材料。

在本文中,悉尼科技大学汪国秀教授课题组首次通过一种温和的涂层碳化-硫化策略,成功制备出蛋黄壳结构FeS2@碳复合材料(FeS2@C),并将其用于SIBs和EMW吸收。当FeS2@C作为SIBs负极材料时,该蛋黄壳结构设计不仅改善了高容量FeS2活性材料的反应动力学,而且还提供了足够的空间来承受FeS2活性材料在重复放电/充电过程中发生的大体积变化。因此,所制备出的FeS2@C纳米复合材料具有优异的比容量(在0.1 A g–1电流密度下100次循环后的容量为616 mA h g–1)、高倍率性能和超长的周期稳定性(在10 A g–1电流密度下10000次循环后的容量为220 mA h g–1)。当FeS2@C应用于EMW吸收时,该蛋黄壳结构设计同步改善了FeS2的固有介电损耗和提高了入射电磁波的多反射损耗,因此蛋黄壳结构FeS2@C可提供高达−45 dB的RL (超过99.99%的EMW能量会被吸收),具有1.45 mm的匹配厚度,

Zengming Man, Peng Li, Dong Zhou, Yizhou Wang, Xiaohui Liang, Rui Zang, Pengxin Li, Yuqi Zuo, Yeng Ming Lam, and Guoxiu Wang. Two Birds with One Stone: FeS2@C Yolk–Shell Composite for High-Performance Sodium-Ion Energy Storage and Electromagnetic Wave Absorption. Nano Lett. 2020. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00789.

文章链接:

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00789

2. 大连理工大学蹇锡高院士Nano Energy: 构建含N、O微/介孔共价三嗪基骨架材料并探究N,O杂原子对电化学性能的影响

随着化石燃料大规模使用带来环境污染的日益严重,开发可持续能源储存器件引起了科研人员越来越多的研究兴趣。碳基超级电容器,又称双电层电容器(EDLCs),因其来源丰富、重量轻、充放电动力学快、循环寿命长等优点,已成为储能装置的理想选择。然而,碳基EDLCs仍存在低比容量及低能量密度等缺点,阻碍着其进一步的实际应用。近年来,许多研究在不牺牲高功率密度和长循环寿命的前提下,使得碳基EDLCs的能量密度得到了很大的提高。由于比电容和电极活性材料的比表面积成正比,因此增加活性材料的比表面积,是提高碳基EDLCs比容量的有效方法。然而,超薄的孔结构事实上并不利于离子输运,而且会增加扩散阻力,从而导致碳基EDLCs的倍率性能较差。将杂原子(N, O, P, S)掺入碳基底,被证明是提高比电容的最简单和最有效的方法。因此,开发高性能碳基超级电容器必须了解杂原子对电化学性能的影响。

在本文中,大连理工大学蹇锡高院士课题组以含氮和氧杂原子的单体4,4'-(1,3,5,7-四氧-5,7-二氢吡咯[3,4-f]异吲哚-2,6(1H, 3H)-二烷基)二苯腈(TIDN)为构建模块,通过热合成成功制备出一系列含N,O杂原子的共价三嗪基骨架(p-TIDN)材料。所制备出的p-TIDN具有均匀的氧氮杂原子分布和微/介孔结构,所有样品的孔径分布均在1和4nm之间,并将其用作超级电容器的电极材料。研究结果表明,p-TIDN不仅具有令人满意的储能特性和高循环稳定性(80000次循环测试后相对于初始容量的保留率为123%),而且研究杂化原子对电容特性的效应时,还减弱了不可控位置、种类、温度、杂化原子的含量和过多的超微孔结构等因素的影响。此外,结合X射线光电子能谱(XPS)、Brunauer-Emmett-Teller分析(BET)和恒电流充放电等电化学性能测试,详细分析了氮、氧杂原子对电化学性能的影响。

Fangyuan Hu, Tianpeng Zhang, Jinyan Wang, Shengming Li, Cheng Liu, Ce Song, Wenlong Shao, Siyang Liu, Xigao Jian. Constructing N,O-Containing micro/mesoporous covalent triazine-based frameworks toward a detailed analysis of the combined effect of N, O heteroatoms on electrochemical performance. Nano Energy  2020. DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104789.

文章链接:

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104789

3.大连理工大学陆安慧教授Adv. Mater.: 均匀超微孔硬碳纳米片用于高效钠离子存储

钠离子电池(SIBs)因其低成本和丰富的地球储量,被公认为是可替代当前锂离子电池的一种很有前景的大型储能系统。由于Na+的半径比Li+大,且Na+扩散动力学更慢,因此寻找具有高可逆容量、高倍率和长寿命的SIB负极材料是一项艰巨的任务。与可逆容量低的钛基氧化物、结构稳定性差的金属合金和转化型活性材料相比,含大量石墨微晶、缺陷和孔的硬炭材料具有优异的性能。一般来讲,Na+的储存行为主要分为三类:边缘、缺陷和官能团的吸附,石墨插层,以及孔隙填充。在负极材料的充电曲线中,高石墨化硬碳通常表现出两个区域:位于低电位(0.01–0.10 V)的平台和位于高电位(0.10–1.00 V)的斜线,而材料的可逆容量主要由平台区决定。然而,在高电流密度下,平台容量非常容易受到极化的影响,从而降低钠储存容量。尽管钠的储存行为与不同电位区域的对应关系一直存在着争议,但众所周知通过引入孔隙率可作为减少极化影响的有效策略,并且改善钠的扩散动力学。

尽管已有研究表明超微孔(<0.7nm )可以通过减少碳表面与电解液的接触,为Na+的提供传输通道,并减缓固态电解质界面(SEI)膜的形成;然而,在首次放电过程中,还是会有大量较大的微孔(>0.7nm)促进SEI薄膜的形成。因此,制备具有均匀超微孔的硬碳负极是非常理想的,但是一个非常具有难度的工作。在本文中,大连理工大学陆安慧教授课题组成功合成出具有均匀超微孔(≈0.5 nm)结构和含C=O/O-H官能团的硬碳纳米片负极材料,其表现出高容量(在0.02 A g−1电流密度下的容量为318 mA h g−1),高倍率性能(在5.00 A g−1电流密度下的容量为145mA h g−1),和高达71.2%的首次库伦效率。当电位低于1.00 V时,约95%的比容量可供实际使用。此外,作者还提出了一种新的双平台充电模型。

Ji-Li Xia, Dong Yan, Li-Ping Guo, Xiao-Ling Dong, Wen-Cui Li, and An-Hui Lu. Hard Carbon Nanosheets with Uniform Ultramicropores and Accessible Functional Groups Showing High Realistic Capacity and Superior Rate Performance for Sodium‐Ion Storage. Adv. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adma.202000447.

文章链接:

https://doi.org/10.1002/adma.202000447

4. 中国科学技术大学姚宏斌教授Nat. Commun.: 金属氯化物钙钛矿薄膜基界面层保护锂负极

电子器件的快速发展为我们提供了更好的产品体验,同时也为储能系统设定了更高的标准,它促进着科研人员对新材料的不断探索与研发,以满足不断增长的高能量密度可充电电池需求。金属锂的比容量是石墨的10倍(3860 versus 370 mAh g−1),是未来支持高能量密度电池的最有希望的负极材料之一。然而,由于在循环过程中锂沉积的结构松散,从而导致电解液加速“干涸”失效,并可能引起电池短路,严重阻碍了锂金属电池的实际应用。

在本文中,中国科学技术大学姚宏斌教授、张国桢教授课题组开发出一种固态转移策略,将溶液处理后的金属氯化物钙钛矿薄膜作为一种新型的界面层应用于锂金属负极的保护,其中金属氯化物-钙钛矿界面层能使锂离子以低能垒在其骨架中快速传输,使均匀的离子流与液态电解质良好分离。高电流密度(5 mA cm−2)诱导的超致密Li沉积使电池具有30mAhcm−2的高面积容量;而且,在金属氯化物钙钛矿薄膜的保护下,锂金属负极表现出稳定的Li剥离/电镀电压曲线(<40mV),可在1 mA cm−2电流密度下稳定运行超过800圈。此外,当使用贫电解质(20 μl mAh−1)和薄锂箔(50μm)时,LiCoO2-Li具有高达2.8 mAh cm−2的面积容量,且可以稳定运行超过100圈。

Yi-Chen Yin, Qian Wang, Jing-Tian Yang, Feng Li, Guozhen Zhang, Chen-Hui Jiang, Hong-Sheng Mo, Ji-Song Yao, Kun-Hua Wang, Fei Zhou, Huan-Xin Ju & Hong-Bin Yao. Metal chloride perovskite thin film based interfacial layer for shielding lithium metal from liquid electrolyte. Nat.Commun. 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-15643-9.

文章链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15643-9

5. 华中科技大学黄云辉教授Adv. Funct. Mater.: 高密度反位缺陷超薄界面层用于锂硫电池

由于Goodenough等研究人员的杰出贡献,锂离子电池在在过去的几十年里于人类生活中得到了广泛的应用。随着移动电子设备和电动、混动汽车对功耗的要求不断提高,开发长循环寿命、高能量密度、高倍率性能的新型电池系统已成为当务之急。锂硫(Li–S)电池由于其具有高理论容量(1675 mAh g−1)和极高的比能量密度(2600 Wh kg−1),在近些年来备受关注。而且元素硫在地球中含量丰富,价格低廉,且对环境无害,因此,Li–S电池已成为下一代充电电池最有希望的候选品之一。但是,由于硫的绝缘性,实际比容量低,溶解稳定性差,多硫化物迁移等缺点,大大限制了锂硫电池的工业化应用。

在本文中,华中科技大学黄云辉教授、李真教授课题组成功将Bi2Te2.7Se0.3 (BTS)引入隔膜表面形成本征反位缺陷,并系统研究了这些缺陷对锂硫电池性能的影响。BTS是一种具有高密度反位缺陷的典型化合物,其具有来源丰富,价格低廉,对环境无害等优点。在BTS中,反位缺陷Bi′Te与Te空位V′Te共存,而前者是主要的本征缺陷。作者通过磁控溅射法在聚丙烯(PP)隔膜(简称为BTS/PP)上设计出纳米级BTS界面层,该超薄纳米BTS界面层的面积质量密度位0.03 mg cm−2,成功避免了整个电池系统能量密度的损失。因此,所设计出的电极具有很高的载硫量和优异的电化学性能。此外,采用密度泛函理论(DFT)计算,作者探讨了多硫化锂物种与BTS反位缺陷之间的相互作用,表明多硫化物在充放电过程中会被本征的反位缺陷有效地阻挡。

Danqi He, Jintao Meng, Xinyu Chen, Yaqi Liao, Zexiao Cheng, Lixia Yuan, Zhen Li, and Yunhui Huang. Ultrathin Conductive Interlayer with High‐Density Antisite Defects for Advanced Lithium–Sulfur Batteries. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adfm.202001201.

文章链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202001201

6. 天津大学罗加严教授Adv. Funct. Mater.: 聚两性离子水凝胶电解质用于准固态锌金属电池

尽管水系锌金属电池具有安全、经济、环保等优点,但锌金属在水系环境中枝晶的生长和不可避免的腐蚀问题严重制约了其进一步的发展。在本文中,为了实现锌的长期可逆沉积/溶解性,天津大学罗加严教授课题组构建出一种室温离子电导率为32.0 mS cm−1且Zn2+迁移率为0.656的聚两性离子水凝胶电解质(PZHE),其中两性离子聚合物中丰富的亲水基团和带电基团能很好地固定聚合物骨架中的水分子,从而减少电池副反应的发生。此外,两性离子聚合物中的带电基团可以使离子分布均匀,实现均匀的锌沉积。因此,含有PZHE的对称电池可稳定运行3500 h以上,以VS2和MnO2为正极的全电池也表现出优异的循环稳定性。由于将物理和化学交联凝胶的优点进行结合,因此所合成出的PZHE使柔性准固态锌金属电池具有优异的可加工性、自愈性和安全性,即使在切割、浸泡、锤击、清洗、燃烧和冷冻等各种极端条件下也能稳定工作。

Kaitong Leng, Guojie Li, Jingjing Guo, Xinyue Zhang, Aoxuan Wang, Xingjiang Liu, and Jiayan Luo. A Safe Polyzwitterionic Hydrogel Electrolyte for Long‐Life Quasi‐Solid State Zinc Metal Batteries. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adfm.202001317.

文章链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202001317

7. 马里兰大学胡良兵教授Chem. Rev.: 石榴石型固态电解质超全综述

全固态电池具有高能量密度、宽使用温度范围、高安全性等优点,因而被认为是替代以有机液态电解质为主锂离子电池的一种很有前景的储能技术。固态电解质(SSEs)作为全固态电池中最关键的组成部分,在很大程度上引领着未来电池的发展。在不同类型的固态电解质中,石榴石型Li7La3Zr2O12 (LLZO)固态电解质具有特别高的离子电导率(10–3至10–4 S/cm)和对锂金属良好的化学稳定性,因此为固态锂金属电池提供了巨大的发展机遇。自2007年发现石榴石型LLZO以来,科研人员对石榴石型固态电解质和全固态电池的开发越来越感兴趣。石榴石型电解质因其高能量密度、电化学稳定性、高温稳定性和安全性等优点,也被认为是可用于电池的最有前途和最重要的固态电解质之一。

在本文中,马里兰大学胡良兵教授联合卡尔加利大学Venkataraman Thangadurai教授等课题组综述了近年来石榴石型LLZO电解质的研究进展,并对实验研究与理论结果、LLZO电解质的合成策略与改性、石榴石固态电解质/电极稳定性、新兴纳米结构设计、性能衰减机理与缓解措施、以及电池架构与集成进行了详细讨论。此外,作者还以目标为导向,对石榴石型LLZO电解质在各种概念型固态电池(e.g., Li-ion, Li–S, andLi–air)中的应用进行系统的概述,并强调了未来发展机会和前景,为未来固态电解质和固态电池发展提供了指导作用。

Chengwei Wang, Kun Fu, Sanoop Palakkathodi Kammampata, Dennis W. McOwen, Alfred Junio Samson, Lei Zhang, Gregory T. Hitz, Adelaide M. Nolan, Eric D. Wachsman, Yifei Mo, Venkataraman Thangadurai, and Liangbing Hu. Garnet-Type Solid-State Electrolytes: Materials, Interfaces, and Batteries. Chem. Rev. 2020. DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00427.

文章链接:

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00427

8. 西安大略大学孙学良教授Energy Environ. Sci.: 限制PEO基固态聚合物电解质电化学窗口的因素到底是主链还是端羟基?

随着能量密度的提高,高压全固态锂电池(ASSLBs)受到越来越多的关注,但ASSLBs的运行需要具有宽电化学稳定窗口(ESW, >4.2 V)和对Li负极具有高稳定性的固态电解质(SSEs)。不幸的是,聚环氧乙烷(PEO)作为应用最为广泛的固体聚合物电解质(SPE),却不能承受4 V以上的高压,而限制ESW的因素到底是主链(–C–O–C–)或末端羟基(–OH),仍旧是不清楚的。在本文中,西安大略大学孙学良教授联合多伦多大学ChandraVeer Singh教授等课题组通过选用不同端基的聚乙二醇(PEG)和聚乙二醇二甲醚(PEGDME),成功回答了这个问题,其研究结果表明,活性端端羟基(–OH)是限制PEO在高压锂负极电池中应用的主要因素。通过将-OH替换为更稳定的-OCH3基团,可以显著将ESW从4.05拓宽到4.3 V,同时提高Li负极的兼容性,使得Li–Li对称电池在0.2 mA cm−2电流密度下可稳定运行2500h。通过开发PEGDME基ASSLB软包电池,作者进一步证明了其实际的应用价值。0.53 mA cm−2的Li–LiFePO4和0.47 mA h cm−2的Li–

LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2在210次循环和 110次循环后的容量保留率分别为97%和90%。

Xiaofei Yang, Ming Jiang, Xuejie Gao, Danni Bao, Qian Sun, Nathaniel Holmes, Hui Duan, Sankha Mukherjee, Keegan Adair, Changtai Zhao, Jianwen Liang, Weihan Li, Junjie Li, Yang Liu, Huan Huang, Li Zhang, ShigangLu, Qingwen Lu, Ruying Li, Chandra Veer Singh and Xueliang Sun. Determining the limiting factor of the electrochemical stability window for PEO-based solidpolymer electrolytes: main chain or terminal –OH group?. Energy Environ.Sci. 2020. DOI: 10.1039/D0EE00342E.

文章链接:

https://doi.org/10.1039/D0EE00342E

关键字:动力电池

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