固態電解質/鋰金屬負極/液流電池/二次鎂離子電池等最新研究進展
發布時間:2019-06-24 14:18:08
關鍵詞:動力電池 鋰電池

聚合物電解質的電化學穩定窗口計算



電化學穩定窗口是在鋰離子電池中選擇聚合物作為固體電解質的一個基本考慮因素。聚合物基體的形態和化學特性以及它與鋰鹽之間復雜的相互作用使得難以通過計算或實驗來估算其電化學穩定窗口。為此,美國佐治亞理工學院材料科學與工程學院Rampi Ramprasad等人提出了一個實用的計算程序來估算電化學穩定窗口,采用第一性原理密度泛函理論計算僅有一個主導因素(即聚合物基體)來估計電化學穩定窗口。系統研究了十種不同的模型聚合物,如聚乙烯、聚酮、聚乙烯氧化物、聚丙烯氧化物、聚乙烯醇、聚己內酯、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。對于每一個例子,考慮較復雜的分級模型結構來闡明聚合物化學和形態復雜性對電化學穩定窗口的影響。計算結果與實驗值可以較好的吻合,為計算過程的提供了可靠的依據。此外,本研究為后續系統研究其他因素的影響(例如鋰鹽和電解質界面的存在)提供了基礎。因此,本工作為合理設計具有理想電化學窗口的新型聚合物電解質的發展邁出重要的一步。(DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b01553)



全聚合物顆粒漿料電池



氧化還原液流電池有望用于大規模儲能,但必須解決一些長期存在的問題,如安全問題、系統成本和循環穩定性。為此,南京大學金鐘教授等人展示了一種基于全聚合物顆粒漿液電解質的氧化還原液流電池。微尺寸和均勻分散的全聚合物顆粒懸浮液用作氧化還原液流電池中的氧化還原活性材料,此材料突破了溶解度極限并促進不溶性氧化還原活性材料的應用。昂貴的離子交換膜被商業透析膜取代,可同時實現氫離子的快速穿梭,并通過尺寸篩選來切斷氧化還原活性顆粒在隔膜上的遷移。總之,全聚合物顆粒漿料氧化還原液流電池表現出高度可逆的多電子氧化還原過程以及快速的電化學動力學和超穩定的長循環能力。(DOI:10.1038/s41467-019-10607-0)



硅藻土衍生的分級復合負極用于高性能全固態鋰金屬電池



具有分級結構的鋰金屬負極具有高倍率性能,體積變化調節能力和枝晶抑制能力,成為全固態鋰金屬電池的理想選擇。然而,由于鋰的揮發性,難以制備分級結構的鋰金屬負極。為此,中科大俞書宏教授和姚宏斌教授等人報道了利用天然硅藻土作為制備分級結構硅-鋰基復合負極的模板。該復合負極在1000小時內表現出穩定的鋰剝離/沉積性能,且在平均過電位低于100mV。此外,使用該鋰金屬復合負極與磷酸鐵鋰正極組裝的全固態全電池顯示出優異的循環穩定性(在0.5C下500個循環容量衰減0.04%)和高倍率性能(5C下65mAh/g 容量)。該天然硅藻土衍生復合負極可進一步利用可持續的自然資源制備高性能全固態鋰電池。(DOI:10.1038/s41467-019-10473-w)



用于高能可伸縮的能量存儲柔性固體流動電極



液流電池可以獨立調節功率和能量,并支持低成本材料用于大規模儲能。然而,當在混合系統(鋅或鋰金屬)中使用固體電極時,它們具有低能量密度或差的可擴展性。為了打破泵送流體的慣例,香港中文大學機械及自動化工程學系盧怡君教授提出并展示了一種新的流動電池,其通過由高能量密度固體電極材料(柔性固體流動電極)制成的柔性電極帶旋轉,來輸送活性材料。使用這種方法,作者展示了一種完全可擴展的水性固液混合液流電池,該電池使用磷酸鈦鋰(LTP)柔性陽極帶與碘化鋰(LiI)陰極電解質復合而成。這種循環柔性固體電極的制備方法可以簡易地應用于現有的固液混合液流電池(例如,Zn-I2,Zn-Br2,Li-I2,鋰-多硫化物等),并允許多種類型的固體電極材料在流動電池平臺中不受溶解度或延展性的限制。(DOI:10.1016/j.joule.2019.05.015)



長循環壽命和卓越電容性能的10.8V非金屬微超級電容器



互通多孔石墨烯由于其獨特的結構和優越的導電性,在開發非金屬超微電容器作為超電容材料和集流體起著至關重要的作用。為此,印度旁遮普納米科學技術研究所Ramendra Sundar Dey等人報道了通過電化學和激光輻射技術相結合的方法為制備導電石墨烯基超強裝置提供了新的方法。拉曼光譜結果表明,激光誘導發能夠有效的修復熔融互通片的缺陷,從而獲得高導電率和高結晶度的激光輻射石墨烯樣品。以柔性襯底上的激光輻射石墨烯為模版,研制具有1.2V工作電壓的芯片上柔性超級電容器。有趣的是,沒有任何金屬電流收集裝置,超級電容器表現出獨特的雙電層行為和前所未有的循環穩定性。值得注意的是,循環100000次后,初始電容保持率為百分之百。通過對裝置陣列模塊化,即使在較高的掃描速率(100V/s)下也不會對伏安曲線產生太大的影響,實現了10.8V高電池電壓。這組激光輻射石墨烯微超級電容器與用于混合能源收集和存儲的商用太陽能電池相一致。本研究為建立有著優秀循環壽命非金屬超級電容器和促進可持續能源的未來提供了有效的方法。(DOI:10.1039/C9EE01458F)



固態電解質化學-機械衰退的可視化分析



固態電解質(SSE)和鋰金屬電極之間相間處的轉變可導致固態電池循環期間的高阻抗和容量衰減,但界面的結構/化學/機械演變與電化學之間的聯系尚不清楚。為此,美國佐治亞理工學院Matthew T. McDowell等人使用原位X射線計算機斷層掃描來揭示電化學循環期間由相間生長引起的Li1+ xAlxGe2-x(PO4)3(LAGP)固態電解質內機械損傷的發展。具有體積膨脹相間的生長促使該材料中的破裂,并且發現循環期間的破裂程度是導致阻抗增加的主要因素,與界面本身的阻力相反。觀察到裂紋從鋰/ LAGP界面的邊緣附近開始出現,這與模擬結果一致。本文所研究相間生長的化學力學效應有望在多種固態電解質材料中發揮作用,這項工作是設計耐用界面的一個進步。(DOI:10.1021/acsenergylett.9b00816)



將鎂插入到具有高容量的層狀氧化釩中



雖然α-V2O5傳統上被認為是一種有望在高電位下可逆嵌入Mg2+的氧化物,但最近的報道表明,以前觀察到的電化學活性主要由H+所決定而不是Mg2+的嵌入,即使在非水電解質中也是如此。因此,氧化物嵌入Mg2+的固有功能仍然存在問題。近日,伊利諾斯大學芝加哥分校化學系 Jordi Cabana等人通過在化學和陽極穩定的離子液體電解質中進行電化學測試,發現在110℃時層狀α-V2O5確實能夠在一個單元內可逆地嵌入1mol Mg2+,比容量超過280mAh/g。通過元素探測多模態表征證實了Mg2+的嵌入,以及氧化還原和氧化物所經歷的形態變化。經過110℃下的循環后,其室溫下的電化學活性明顯增強。這一結果證明功能性鎂可充電電池可超過目前鋰離子電池的能量密度標準。(DOI:10.1021/acsenergylett.9b00788)



普魯士藍類似物衍生雙殼層Ni-Fe-P/ N摻雜碳納米盒



設計合理、制作方便、應用廣泛、結構清晰、成分多樣的雙殼空心結構作為可充電電池的電極仍是一個巨大的挑戰。近日,山東大學化學與化工學院徐立強教授等人合成了雙殼層Ni-Fe-P/N摻雜碳納米盒(Ni-Fe-P/NC),并將其作為鉀離子電池(KIBs)和鋰硫電池的電極材料。獨特的結構不僅可以減輕循環過程中Ni-Fe-P/NC的體積變化、防止團聚,而且可以為電解液的滲透提供有效的表面積。此外,氮摻雜碳可以提高電極的電導率。因此,當其作為鉀離子電池的陽極材料時,表現出優異的循環穩定性(在500mA/g電流密度下1600次循環后具有172.9mAh/g容量和在1000mA/g電流密度下1000次循環后115mAh/g的容量)。同時,Ni-Fe-P/NC由于其獨特的中空結構,可以承受高硫含量的負荷,對多硫化物具有較強的化學吸附能力,也可作為鋰硫電池的硫載體材料。(DOI:10.1021/acsenergylett.9b00573)



稿件來源: 能源學人
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