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能源领域最新进展集锦 | 固态锂金属电池、氧还原电催化剂、锌离子电池

已有 793 次阅读 2019-10-14 19:37 |个人分类:热点研究|系统分类:科普集锦

01  多层PEO电解质的差异化锂盐设计可实现高压固态锂金属电池



聚环氧乙烷(PEO)电解质具有较低的玻璃化转变温度(Tg)和出色的“溶剂化”碱盐性能,因此是锂金属电池研究的热点。然而,聚环氧乙烷(PEO)电解质离子电导率低并且高压稳定性差,这严重阻碍了它的商业化进程。


为了使高电压LiCoO2阴极和锂金属阳极同时具有良好的电化学性能,中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊/董杉木团队开发了一种由差异化盐设计的多层PEO基固体聚合物电解质(DSM-SPE)。实验结果显示,用DSM-SPE 作为电解质,在温度为60°C,电压范围为2.5-4.3V时,LiCoO2/Li金属电池循环100次后,容量保持率为83.3%。这是到目前为止用PEO基作为电解质,高压≥4.3V时,循环性能最好的LiCoO2/锂金属电池。此外,Li/Li对称电池在电流密度为0.25 mA cm-2(0.25 mAh cm-2)时,稳定性良好且电镀/剥离行为极少(600 h内小于80 mV)。即使在2 mAh cm-2的高电流密度下,装置仍可以保持稳定。装有DSM-SPE的袋式电池在完全充电的状态下刺穿和切割后,没有体积膨胀、电压下降、着火或爆炸的现象,证明了基于DSM-SPE的锂金属电池的安全性能良好。



阅读全文:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201901036



02  通过暴露Pt活性面促进ORR反应



铂基催化剂是目前最好的ORR催化剂,这是由于铂具有适当的表面电子结构且d中心位置(相对于费米能级而言)有利于O-O键断裂。然而,Pt的高成本和低储存量严重阻碍了其在ORR上的大规模应用。因此,开发低Pt负载量且能够充分暴露活性位点的ORR催化剂至关重要。


中佛罗里达大学杨阳团队通过结合自下而上(电沉积)和自上而下(阳极氧化)方法,设计了能够暴露足够多Pt活性位的PtNi多孔膜(PFs)。用方波电势编程控制的动态氧气气泡模板(DOBT)调整催化剂的形态和PtNi PFs中Pt的活性面,通过对阳极施加电压调整PtNi PFs表面上暴露的结合物,例如:羟基(OH *,* =表面部位),从而影响动态O2在Pt上的吸附。结果显示,PtNi PF(命名为Pt3.5%Ni PF)具有丰富的Pt(111)晶面,当Pt负载量为0.015 mg cm-2时,ORR起始电位为0.92V(vs. RHE).



阅读全文:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201907322



03  可调节的三元FeCoNi纳米杂化物促进OER反应



水分解是一种具有前景的生产可再生清洁能源的技术,但是其阳极氧气析出反应动力学十分缓慢。因此,开发高活性和稳定性的水氧化电催化剂对于加速能量转换具有重要意义。由于氟的电负性比较强,所以氟掺杂可以使与氟相邻的原子带正电荷。最重要的是,由于氟离子的结构特征,它形成的金属-离子键比其他金属-离子键更弱。所以,氟离子在催化活性物质的表面重构中具有更强的离子性。同时,一维纳米材料(纳米棒和纳米线等)形态多样且比表面积高能暴露更多的活性位点,因而比散装材料更适合催化。


南开大学刘璐团队通过一锅溶剂热法合成了一系列不同氟浓度的FeCoNi(羟基)氢氧化物纳米杂化物作为OER催化剂。此类催化剂具有良好的导电性并且暴露的活性位点数目多。通过改变氟的剂量,可以制备出不同形态的FeCoNi NHs。实验结果表明,与FeF3(374 mV),CoNiOH(310 mV)和商业化的RuO2(355 mV)相比,新合成的催化剂具有纳米棒形态且导电性良好,其过电势仅为258mV(电流密度为10mA cm-2)。此研究为制备成本低,稳定性好的OER电催化杂化材料提供了新的方向。



扫码阅读全文:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/chem.201903509



04  碱性HER电催化剂:通过Cr掺杂协同调节Co4N上水和氢的结合能力



开发高效的、低成本的析氢反应(HER)电催化剂仍然面临着巨大的挑战。武汉大学罗威/陈胜利团队合作开发了一种生长在碳布上的Cr掺杂Co4N纳米棒(Cr-Co4N/CC)HER电催化剂。它具有优越的催化性能,在1.0 M KOH电解质中,电流密度为10mA cm-2时,过电势仅为21mV。这甚至比商业化的Pt/C催化剂性能还要好,并且远低于大多数报道中的过渡金属氮化物基和其他非金属基电催化剂。结合密度泛函理论(DFT)计算和实验结果发现Cr原子不仅充当促进水吸附和解离的亲氧性位点,而且可以调节Co4N的电子结构使Co原子具有最优的氢键结合能力,从而加速了碱性条件下Volmer和Heyrovsky反应动力学。另外,该方法可以扩展到其他金属(例如:Mo,Mn和Fe)掺杂的Co4N电催化剂,从而可以为合理设计高效过渡金属氮化物基HER催化剂开辟了新的途径。


阅读全文:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201902449



05  水系锌离子电池:释放无序岩盐的潜力



由于多价离子的强电荷排斥力和缓慢的动力学,锌离子在电极材料中无法实现大量快速存储。因此,研发合适的阴极材料对于可充电锌离子电池的开发至关重要。一般认为,锌离子的扩散趋势会被限制在密堆积的面心立方晶格中,所以岩盐或氯化钠晶体结构不能用作储存锌的阴极材料。


北京航空航天大学杨树斌团队提出了一种有效的可以提高岩盐钒氧氮化物电化学活性的策略。他们发现氧氮化钒岩盐在含水电解质中首次充放电时部分低价氧离子(O2-)会替代高价阴离子氮(N3-),导致无序岩盐形成了具有大量的空位/缺陷。无序岩盐中存在的大量空位/缺陷不仅为锌离子提供了丰富的活性位点,还有利于锌离子的快速扩散。实验结果显示,这种空位/缺陷丰富的氧氮化钒岩盐具有非常高的可逆容量(603 mAh g-1,0.2C)和倍率容量(600 C时为124 mAh g-1)。这为设计高能量密度和高功率密度的水性锌离子电池电极材料开辟了一条新的途径。



阅读全文:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904369



(本期作者:艾米)




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