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Wiley电池领域最新进展 | 杂原子掺杂、氮掺杂碳、多壳中空MOFs、亲锂石墨烯气凝胶、2D介孔TiO2/rGO异质结

已有 513 次阅读 2020-7-1 12:29 |个人分类:热点研究|系统分类:论文交流

01杂原子掺杂促进钠离子存储

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为了应对能源格局的变化,由于钠价格低廉和资源丰富特性以及类似于锂离子电池(LIBs)的电化学性质,钠离子电池(SIBs)正成为后-LIB时代最具前景的电源之一。SIBs电极材料的电化学性能与其晶体结构和固有电子/离子态紧密相关。除了纳米尺度设计和导电复合策略以外,杂原子掺杂是增强晶体结构中钠离子和电子固有传输特性以加快反应动力学从而实现高性能的另一种有效方法。在这篇综述中,浙江大学夏新辉团队哈尔滨理工大学陈明华团队综述了杂原子掺杂用于电极材料对钠离子存储的最新进展。具体而言,对不同的掺杂策略进行了详细回顾和总结,包括非金属元素掺杂(如氮、硫、磷、硼、氟)、金属元素掺杂(镁、钛、铁、铝、镍、铜等)以及双/三掺杂(如N–S、N–P、N–S–P)。此外,介绍了各种掺杂方法,并讨论了它们的优缺点。还举例说明了掺杂对晶体结构和本征电子/离子态的影响,并探讨了其与容量和能量/功率密度的关系。最后,分析了先进SIBs电极掺杂策略的未来发展趋势。

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原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000927 


02氮掺杂碳作为钾离子电池负极

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大多数报道的钾离子电池(PIBs)碳质负极容量有限。一种改善碳负极性能的方法是边缘-氮掺杂,其可以有效增强K离子的吸附能。由于难以控制氮掺杂剂的构型,实现高边缘-氮掺杂仍然具有挑战。在此,阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)Husam N. Alshareef课题组提出了一种新的合成策略,以制备用于高性能PIBs的超高边缘-氮掺杂碳负极。具体而言,直接热解了自组装的超分子前驱体(衍生自均苯四酸和三聚氰胺)。在热解过程中,均苯四酸与三聚氰胺之间的酰胺化和酰亚胺化反应使均苯四酸-三聚氰胺超分子得以成功碳化。所获得的3D氮掺杂涡轮层碳(3D-NTC)是由碳纳米片、涡轮层晶体结构和高达16.8 at%的超高边缘-氮掺杂水平(占总氮掺杂22.8 at%的73.7%)组成的3D框架。这些功能使3D-NTCs具有出色的PIBs负极性能。3D-NTC负极显示出473 mAh g-1的高容量,稳健的倍率性能,以及500次循环的长循环寿命和93.1%的高容量保持率。这种新策略将促进可再充电碱金属离子电池中碳负极的发展。

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原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000732 


03多壳中空MOFs中高载量亚纳米粒子用于Li-O2电池

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原子团簇尺寸的亚纳米颗粒(SNPs)在许多领域都显示出了广阔的前景,例如充分利用原子利用率,但是在高质量负载下如何精确生产和稳定仍然是巨大的挑战。作为克服这一挑战的解决方案,韩国科学技术院(KAIST)Jeung Ku Kang团队淑明女子大学Kyung Min Choi团队展示了一种策略,以允许在多壳中空金属有机框架(MOFs)中以高质量负载合成和保存SNPs。首先,交替堆叠水-分解和水-稳定的MOFs,以构建多层MOFs。接下来,利用可控的氢键亲合力,通过水-稳定的MOFs疏水性纳米笼选择性地筛选分离出水分子,然后将其逐一转移到水-分解的MOFs中。通过受控的氢键亲合力将水分子传输至水-稳定的MOF层是从各种类型水-分解和水-稳定交替层实现SNP的关键步骤。此过程将多壳MOFs转换为嵌入SNP的多壳中空MOF。此外,多壳结构通过π-反向键合来稳定SNPs,从而可以通过跳跃机制实现高的电导率,而中空空隙则可以最大程度地降低运输阻力。如使用具有多达五壳的SNP嵌入式多壳空心MOF所展示的那样,这些特性导致了较高的Li-O2电池电化学性能,包括高的体积容量和低的过电势。

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原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202000283 


04柔软亲锂石墨烯气凝胶稳定锂金属负极

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锂金属负极是下一代高能量密度电池最有潜力的负极之一。然而,Li枝晶的严重生长和大体积膨胀导致容量快速下降和寿命缩短,特别是在高电流密度和高容量下。在此,北京理工大学陈人杰课题组提出了一种柔软的3D Au纳米颗粒@石墨烯杂化气凝胶(Au-GA)作为锂金属负极的亲锂基质。Au-GA大的表面积和相互连接的导电路径显着降低了电极的局部电流密度,从而实现了均匀的Li沉积。此外,3D多孔结构有效适应了锂电镀/剥离过程中大的体积膨胀,并且LixAu合金作为固溶体缓冲层,以完全消除Li成核的过电势。对称电池可以在8 mA cm-2下稳定地循环8 mAh cm-2,并表现出超长的循环:在2 mA cm-2下1800 h、2 mAh cm-2,在4 mA cm-2下1200 h、4 mAh cm-2,并具有低的过电势。全电池由Cu@Au-GA-Li负极和LiFePO4正极组装而成,可维持8 C的高倍率,并在2 C下1100次循环后保持59.6 mAh g-1的高容量。

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原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202002013 


05超薄2D介孔TiO2/rGO异质结用于高性能锂存储

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锂离子电池(LIBs)已被广泛应用,并对其作为各种电子设备有效能源补充方面进行了研究。二氧化钛(TiO2)具有高的理论容量(335 mAh g-1),并且在锂化时具有较低的体积膨胀率,被认为是LIBs最有希望的负极材料之一。然而,TiO2的应用由于其低的电导率和缓慢的离子扩散速率而受到阻碍。本文中,澳大利亚伍伦贡大学侴术雷团队中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈国新团队中南大学Xiang Xiong团队合作,通过层层组装工艺,制备了2D超薄介孔TiO2/还原石墨烯(rGO)异质结构。超薄介孔TiO2和rGO纳米片的协同效应显着增强了复合材料的离子扩散和电子电导率。引入的2D介孔异质结构在200 mA g-1的电流密度下可显着提高到350 mAh g-1的容量,并具有出色的循环稳定性,在1 A g-1高电流密度下可在1000次循环中维持245 mAhg-1的容量。原位透射电子显微镜分析表明,所制备2D异质结构的体积随Li+的嵌入和脱出而略有变化,从而有助于提高长循环性能。

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原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202000030 

(本期作者:毛毛的维)



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