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近些年,锂/钠硫、锂/钠/钾系空体电池因具有高能量密度而被新能源研究者们所熟知。但是,碱金属电极的使用仍面临着一些严峻问题,例如高活性的碱金属与常用电解质之间是天然不稳定的,或者说他们之间常常反应生成粗糙且脆弱的SEI膜。为了抑制这种不利的化学反应以及金属枝晶的形成,提高电池的库伦效率和安全性能,研究者们合成了各种人造SEI膜聚合物,例如无机导电复合物,纳米粒子,薄膜,碳材料等等来隔绝电极与电解液之间的副反应。虽然以上也能取得一些效果,但还是有待改进。
图1. a)活性层生成过程示意图;b)Sn-锂电极剖面SEM图;c)Sn-锂电极EDX图谱;d)Sn-锂电极表面mapping图;e)Sn-锂电极表面SEM图。
近日,美国康奈尔大学Lynden A. Archer课题组设计一种人造活性物SEI膜来改善上述问题。作者采用离子交换化学法在碱金属(锂/钠)表面沉积电化学活性物质(Sn,In,Si)层作为SEI膜。这种活性层使得电池表现出非常高的交换电流和稳定的长循环性能。该工作发表在国际顶级能源类期刊《Nature Energy》上。
图2. Sn–Li/NCA全电池的充放电循环曲线;内图是容量-电压曲线。
所合成的Li/Sn负极在3mA/cm^2的电流密度下,可以稳定表现出3mAh/cm^2的面比容量。与高负载LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (19.9 mg/cm^2;3 mAh/cm^2) 正极配对后(组成Sn–Li/NCA全电池),在0.5C电流密度下循环300圈后,容量保持率还可>80%。Sn和Li分别可通过合金化和沉积的过程储锂,这样的一种二元混合储锂协同机理可以解释锂负极表面稳定的原因。更深一步的,作者还制备了Sn-Na负极,并组装了对称钠电池(Sn-Na/Sn-Na)测试其电化学性能,结果表明这种电池可以稳定稳定循环1700小时,并且表现出极小的充放电电位差,解决了长久以来困扰研究者们的钠枝晶问题。
图3. a)钠电极处理前后的阻抗对比图;b)循环后,原始钠电极和Sn-Na电极表面SEM图;Sn-Na/Sn-Na对称电池分别在0.25 m/cm^2、1h每步和0.5 m/cm^2、0.5h每步充放电条件下的时间-电压曲线;e)原始Na/Na对称电池在0.25 m/cm^2、1h每步充放电条件下的时间-电压曲线;f)Sn-Na电极和原始钠电极在不同循环次数下的平均放电电压曲线。
通过在碱金属表面沉积活性层不仅可以保护金属表面,同时还可促进电极的电荷快速转移。修饰活性Sn层后,金属锂和钠负极仅仅界面电阻都急剧减低,而且与电解液的交换电流变得更高。长时间循环后,电极表现也未发现金属枝晶的形成。尤其对于以前让人头疼的钠枝晶问题,采用这种方法非常有效。这篇文章,作者也是另辟蹊径地提出了采用沉积活性物层,基于二元混合储能协同机理来解决困扰研究者们的金属枝晶的问题。
参考文献:
Zhengyuan Tu, Snehashis Choudhury, Michael J. Zachman, Shuya Wei, Kaihang Zhang, Lena F. Kourkoutis and Lynden A. Archer, Fast ion transport at solid–solid interfaces in hybrid battery anodes,Nature Energy, DOI: 10.1038/s41560-018-0096-1
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今日,深圳市好风光氢能科技有限公司(以下简称“好风光氢能”)与深圳大学在深圳大学丽湖校区材料学院5楼会议室签署了“电解水析氢高效电极材料研发与产业化”合作协议,就绿氢装备核心技术研发与产业化等项目达成合作意向,探索建立长期校企“产学研用”合作机制,建立校企合作新典范。双方将围绕科
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充电9分钟可恢复约80%的电量、2000次循环后仍可保持90%的容量……中国科学技术大学教授季恒星研究组与合作者全新设计的新型锂离子电池电极材料——黑磷复合材料,使兼具高容量、快速充电能力且长寿命的锂电池成为可能。该成果10月9日发表在《科学》。随着环保意识深入人心,电动汽车愈发受到市场青睐,
近日,中国科学技术大学季恒星教授研究组与合作者们,在新型锂电池电极材料研究方面取得重大突破——全新设计的黑磷复合材料使兼具高容量、快速充电且长寿命的锂离子电池成为可能,该成果已在《科学》杂志发表。该研究成果也有望解决目前电动汽车充电时间较长的难题。电极材料决定充电速度据季教授介绍
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德克萨斯州农工大学(TexasAM)的一支研究团队,想到了将碳纳米管掺入锂金属电池的电极中,以实现更高、更安全的充电。该校工程学院的科学家们,将研究重点放在了电池架构的改良上。据悉,传统锂电池中的锂离子会在充放电过程中于两极之间来回移动,其中阳极材料通常由石墨和铜的混合物制成。德克萨斯
移动电子设备、电动汽车、无人机和其他技术的爆炸式增长推动了对新型轻质储能材料的需求。休斯顿大学和德克萨斯农工大学的研究人员研发了一种结构型超级电容器电极,该电极由还原氧化石墨烯和芳族聚酰胺纳米纤维制成,比传统的碳基电极更坚固,用途更广。研究指出,与传统多孔介质模型相比,基于材料纳
目前,在商用市场锂离子电池是毫无争议的主角,不过以液流电池为代表的可再生能源已经显现出了巨大的潜力,在未来有望成为替代者。归功于从虾壳中发现的一种成分,研究人员为液流电池开发了新的电极组件,性能要优于目前的解决方案。长期以来,液流电池(氧化还原液流电池)被视为从风能、太阳能等间歇
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