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能源领域最新进展集锦 | 固态电池、锂金属阳极、非锂金属-氧电池阴极催化剂

已有 1009 次阅读 2019-12-9 18:11 |个人分类:热点研究|系统分类:科普集锦

01 固态电池的电化学-机械各向异性演化及界面定制策略


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全固态电池因其潜在的高能量密度和安全性而备受关注,然而,固态电池在实际应用中却鲜有成功,这主要是因为固体-固体之间的界面问题。因此,从根本上阐明电极-电解质的界面行为具有重要意义。


哈尔滨工业大学王家钧团队加拿大西安大略大学孙学良团队合作对硫化物固态电池中活性颗粒的微观结构演变进行了研究,并探究了固体-固体点接触机理中的界面电阻。为了避免硫化物固态电解质中的空间电荷层效应,可以用过渡金属硫化物作为电极材料,例如:FeS2,它的优点是便宜,对环境无害且能量密集。并且,FeS2通过4e-转化反应,可以提供894 mA h g-1的高理论容量。因此,孙学良和王家钧等人用FeS2作为模型材料,与Li7P3S11组装在固态电池中。结合电化学和同步X-射线纳米断层扫描技术,孙学良和王家钧等人不仅揭示了固态电池可逆容量低的原因,还揭示了FeS2的异相转化以及固-固接触界面。进一步研究表明,FeS2的体积膨胀较大,与硫化物电解质的接触损失也不断加大。根据性能下降机理,他们提出了一种通过将硫化物电解质原位合成次级FeS2颗粒的策略来实现坚固而均匀的固-固界面。牢固锚钉的点-点界面不仅可以改善界面润湿性,还可以缓冲体积变化,从而抑制固-固相界面的损失。他们的观察结果为固态电池的界面电阻机制提供了新的见解,并展示了原位生长策略对于保持固态电池界面完整性的重要性。


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阅读全文:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201910993



02 通过锂硫亲和纳米管阵列实现空间连接和均匀曲率的稳定锂金属阳极


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锂(Li)金属阳极在可充电电池中的应用主要受到锂枝晶在金属表面生长的限制,导致可充电电池寿命缩短和并且存在安全隐患。


美国东北大学的祝红丽团队密西根大学Lei Chen团队首次报道了具有超均匀曲率的垂直井距二氧化钛(TiO2)纳米管阵列作为Li金属阳极的主体结构。采用改进的电化学阳极氧化法制备的TiO2纳米管阵列具有均匀的表面曲率、规则的纳米管间距和垂直排列。将熔融的Li金属成功膨胀到间隔的TiO2纳米管支架中,形成间隔的Li纳米管结构。在电解质溶液中,锂离子在静电力(迁移)和浓度梯度(扩散)的影响下移动。因此,附近的锂离子均匀地迁移到纳米管表面,导致局部电流密度分布均匀。此外,每个垂直排列的纳米管之间的间距不仅提供了促进锂离子向电活性区域扩散的直接途径,还提供了可容纳锂离子生长的空间。这些电极结构特性使Li在纳米管壁上均匀的沉积,导致Li纳米管在电镀过程中的周向生长,此外,通过电流密度分布和相场模型进一步解释了这种独特的Li增长方式的潜在机制。他们认为,均匀表面曲率和空间分布的概念可以应用于开发Li金属阳极结构,使无枝晶Li沉积成为可能。这些结构属性创造了独特的电沉积方式,例如:Li金属均质沉积在纳米管壁上,导致每个Li纳米管的圆周长,没有明显的树突状形成迹象。因此,含有Li纳米管的全电池在1C时的容量为132 mA h g−1,库仑效率高达99.85%(400次循环)。


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阅读全文:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201902819


  


03 原子厚度的MnO2人工叶作为高稳定的电池阳极


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二维材料由于其独特的结构特性和相关的物理化学性质,在一些应用中具有显著的优势。叶状结构是一种经典的二维结构,交联静脉支架能有效地提高结构的稳定性。然而,由于在超薄的类叶肉基质中很难获得稳定的血管样支撑,因此,在原子尺度上的形态和结构仿生过程很少报道。


北京航空航天大学郭林/李丽东团队开发了一种简单而快速的合成路线来构建一个具有原子厚度(b-MnO2 ALAT)的可呼吸的2D MnO2人工叶。二维均匀结构由柔性超薄非晶片作为叶肉促进离子运输,柔性晶体骨架作为脉络提供稳定的机械支撑,多孔结构作为透气气孔加速离子运输速率。这种独特的非晶或晶叶状设计大大提高了锂离子电池的容量和循环寿命。作为一种纯MnO2材料,它具有极高的可逆容量,在0.1 A g−1的电流密度下,其可逆容量为1210 mA h g−1,具有较高的可逆容量和良好的循环稳定性,在2500次循环后容量几乎没有衰减。这种电化学稳定性在很大程度上优于之前报道的纯MnO2阳极材料,甚至可以与那些基于MnO2的复合材料相媲美。


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阅读全文:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201906582



04 超高氮掺杂碳纳米片用于容量大、循环性能好的钾离子存储


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基于钾的储能装置(PESDs)是一种很有前途的大规模储能装置,因为自然界中含有大量的钾,钾(K)的标准氧化还原电位低(K/K+相对于标准氢电极的电位为 -2.93 V)和K+型电解质的离子电导率高。然而,由于缺乏合适的正极和负极材料,阻碍了PESDs的实际应用。


中科院深圳先进技术研究院唐永炳团队香港城市大学李振声团队采用一步法和可伸缩的冷凝法合成了氮含量超高的多孔碳纳米片。碳纳米片的多孔结构有利于K+的扩散,含有大量纳米晶石墨的碳纳米片有利于K+的高效插层和吸附。在这些协同作用下,这种超高氮掺杂(22.7 at%)碳纳米片(UNCNs)阳极在电流密度为500 mA g−1时,具有410 mA h g−1的高容量,这是目前报道的用于KIBs阳极的碳材料中最好的结果。此外,在电流密度为5 A g−1时,电池表现出良好的循环性能,3000次循环后容量保持率为70%。原位拉曼、恒电流间歇滴定法和密度泛函理论计算表明,超高氮掺杂碳纳米片(UNCN)同时结合了扩散和赝电容机制,显著改善了其在K+存储中的电化学性能。这些结果表明碳纳米管是一种有前途的高性能阳极材料。


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阅读全文:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201902672



05 非锂金属-氧电池阴极催化剂的研究进展


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锂-空气/氧气电池的成功,使得各种有前景的非锂金属-氧电池的发展受到广泛关注,如:Zn-O2电池、Al-O2电池、Mg-O2电池等,这些电池具有生产成本低、能量密度高、体积小等优势。多功能非锂金属-氧电池为满足可持续能源供应的实际需求提供了更好的机会。非锂金属-氧电池的高性能阴极能有效地引发氧还原反应和演化反应,从而提高电池的整体性能,是一个很有研究价值的课题。


澳大利亚昆士兰科技大学孙子其团队伍伦贡大学梁骥团队对非锂金属-氧电池的发展进行了全面的综述,重点介绍了非锂金属-氧电池的氧催化阴极。还概述了目前的挑战和可能的解决方法。通过对有发展前景的阴极催化剂的精心选择和合理设计,有望开发出一系列具有实际储能功能的非锂金属-氧电池。


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阅读全文:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201901997



(本期作者:艾米)




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