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            固态电解质/锂金属负极/液流电池/二次镁离子电池等最新研究进展
            发布时间:2019-06-24 14:18:08
            关键词:动力电池 锂电池

            聚合物电解质的电化学稳定窗口计算



            电化学稳定窗口是在锂离子电池中选择聚合物作为固体电解质的一个基本考虑因素。聚合物基体的形态和化学特性以及它与锂盐之间复杂的相互作用使得难以通过计算或实验来估算其电化学稳定窗口。为此,美国佐治亚理工学院材料科学与工程学院Rampi Ramprasad等人提出了一个实用的计算程序来估算电化学稳定窗口,采用第一性原理密度泛函理论计算仅有一个主导因素(即聚合物基体)来估计电化学稳定窗口。系统研究了十种不同的模型聚合物,如聚乙烯、聚酮、聚乙烯氧化物、聚丙烯氧化物、聚乙烯醇、聚己内酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯和聚偏氟乙烯。对于每一个例子,考虑较复杂的分级模型结构来阐明聚合物化学和形态复杂性对电化学稳定窗口的影响。计算结果与实验值可以较好的吻合,为计算过程的提供了可靠的依据。此外,本研究为后续系统研究其他因素的影响(例如锂盐和电解质界面的存在)提供了基础。因此,本工作为合理设计具有理想电化学窗口的新型聚合物电解质的发展迈出重要的一步。(DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b01553)



            全聚合物颗粒浆料电池



            氧化还原液流电池有望用于大规模储能,但必须解决一些长期存在的问题,如安全问题、系统成本和循环稳定性。为此,南京大学金钟教授等人展示了一种基于全聚合物颗粒浆液电解质的氧化还原液流电池。微尺寸和均匀分散的全聚合物颗粒悬浮液用作氧化还原液流电池中的氧化还原活性材料,此材料突破了溶解度极限并促进不溶性氧化还原活性材料的应用。昂贵的离子交换膜被商业透析膜取代,可同时实现氢离子的快速穿梭,并通过尺寸筛选来切断氧化还原活性颗粒在隔膜上的迁移。总之,全聚合物颗粒浆料氧化还原液流电池表现出高度可逆的多电子氧化还原过程以及快速的电化学动力学和超稳定的长循环能力。(DOI:10.1038/s41467-019-10607-0)



            硅藻土衍生的分级复合负极用于高性能全固态锂金属电池



            具有分级结构的锂金属负极具有高倍率性能,体积变化调节能力和枝晶抑制能力,成为全固态锂金属电池的理想选择。然而,由于锂的挥发性,难以制备分级结构的锂金属负极。为此,中科大俞书宏教授和姚宏斌教授等人报道了利用天然硅藻土作为制备分级结构硅-锂基复合负极的模板。该复合负极在1000小时内表现出稳定的锂剥离/沉积性能,且在平均过电位低于100mV。此外,使用该锂金属复合负极与磷酸铁锂正极组装的全固态全电池显示出优异的循环稳定性(在0.5C下500个循环容量衰减0.04%)和高倍率性能(5C下65mAh/g 容量)。该天然硅藻土衍生复合负极可进一步利用可持续的自然资源制备高性能全固态锂电池。(DOI:10.1038/s41467-019-10473-w)



            用于高能可伸缩的能量存储柔性固体流动电极



            液流电池可以独立调节功率和能量,并支持低成本材料用于大规模储能。然而,当在混合系统(锌或锂金属)中使用固体电极时,它们具有低能量密度或差的可扩展性。为了打破泵送流体的惯例,香港中文大学机械及自动化工程学系卢怡君教授提出并展示了一种新的流动电池,其通过由高能量密度固体电极材料(柔性固体流动电极)制成的柔性电极带旋转,来输送活性材料。使用这种方法,作者展示了一种完全可扩展的水性固液混合液流电池,该电池使用磷酸钛锂(LTP)柔性阳极带与碘化锂(LiI)阴极电解质复合而成。这种循环柔性固体电极的制备方法可以简易地应用于现有的固液混合液流电池(例如,Zn-I2,Zn-Br2,Li-I2,锂-多硫化物等),并允许多种类型的固体电极材料在流动电池平台中不受溶解度或延展性的限制。(DOI:10.1016/j.joule.2019.05.015)



            长循环寿命和卓越电容性能的10.8V非金属微超级电容器



            互通多孔石墨烯由于其独特的结构和优越的导电性,在开发非金属超微电容器作为超电容材料和集流体起着至关重要的作用。为此,印度旁遮普纳米科学技术研究所Ramendra Sundar Dey等人报道了通过电化学和激光辐射技术相结合的方法为制备导电石墨烯基超强装置提供了新的方法。拉曼光谱结果表明,激光诱导发能够有效的修复熔融互通片的缺陷,从而获得高导电率和高结晶度的激光辐射石墨烯样品。以柔性衬底上的激光辐射石墨烯为模版,研制具有1.2V工作电压的芯片上柔性超级电容器。有趣的是,没有任何金属电流收集装置,超级电容器表现出独特的双电层行为和前所未有的循环稳定性。值得注意的是,循环100000次后,初始电容保持率为百分之百。通过对装置阵列模块化,即使在较高的扫描速率(100V/s)下也不会对伏安曲线产生太大的影响,实现了10.8V高电池电压。这组激光辐射石墨烯微超级电容器与用于混合能源收集和存储的商用太阳能电池相一致。本研究为建立有着优秀循环寿命非金属超级电容器和促进可持续能源的未来提供了有效的方法。(DOI:10.1039/C9EE01458F)



            固态电解质化学-机械衰退的可视化分析



            固态电解质(SSE)和锂金属电极之间相间处的转变可导致固态电池循环期间的高阻抗和容量衰减,但界面的结构/化学/机械演变与电化学之间的联系尚不清楚。为此,美国佐治亚理工学院Matthew T. McDowell等人使用原位X射线计算机断层扫描来揭示电化学循环期间由相间生长引起的Li1+ xAlxGe2-x(PO4)3(LAGP)固态电解质内机械损伤的发展。具有体积膨胀相间的生长促使该材料中的破裂,并且发现循环期间的破裂程度是导致阻抗增加的主要因素,与界面本身的阻力相反。观察到裂纹从锂/ LAGP界面的边缘附近开始出现,这与模拟结果一致。本文所研究相间生长的化学力学效应有望在多种固态电解质材料中发挥作用,这项工作是设计耐用界面的一个进步。(DOI:10.1021/acsenergylett.9b00816)



            将镁插入到具有高容量的层状氧化钒中



            虽然α-V2O5传统上被认为是一种有望在高电位下可逆嵌入Mg2+的氧化物,但最近的报道表明,以前观察到的电化学活性主要由H+所决定而不是Mg2+的嵌入,即使在非水电解质中也是如此。因此,氧化物嵌入Mg2+的固有功能仍然存在问题。近日,伊利诺斯大学芝加哥分校化学系 Jordi Cabana等人通过在化学和阳极稳定的离子液体电解质中进行电化学测试,发现在110℃时层状α-V2O5确实能够在一个单元内可逆地嵌入1mol Mg2+,比容量超过280mAh/g。通过元素探测多模态表征证实了Mg2+的嵌入,以及氧化还原和氧化物所经历的形态变化。经过110℃下的循环后,其室温下的电化学活性明显增强。这一结果证明功能性镁可充电电池可超过目前锂离子电池的能量密度标准。(DOI:10.1021/acsenergylett.9b00788)



            普鲁士蓝类似物衍生双壳层Ni-Fe-P/ N掺杂碳纳米盒



            设计合理、制作方便、应用广泛、结构清晰、成分多样的双壳空心结构作为可充电电池的电极仍是一个巨大的挑战。近日,山东大学化学与化工学院徐立强教授等人合成了双壳层Ni-Fe-P/N掺杂碳纳米盒(Ni-Fe-P/NC),并将其作为钾离子电池(KIBs)和锂硫电池的电极材料。独特的结构不仅可以减轻循环过程中Ni-Fe-P/NC的体积变化、防止团聚,而且可以为电解液的渗透提供有效的表面积。此外,氮掺杂碳可以提高电极的电导率。因此,当其作为钾离子电池的阳极材料时,表现出优异的循环稳定性(在500mA/g电流密度下1600次循环后具有172.9mAh/g容量和在1000mA/g电流密度下1000次循环后115mAh/g的容量)。同时,Ni-Fe-P/NC由于其独特的中空结构,可以承受高硫含量的负荷,对多硫化物具有较强的化学吸附能力,也可作为锂硫电池的硫载体材料。(DOI:10.1021/acsenergylett.9b00573)



            稿件来源: 能源学人
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