【电池前沿】| 杨勇、孙世刚、江雷、刘生忠、汪国秀、支春义、杨阳、唐永炳等电池研究最新成果速览

  1. 厦门大学杨勇教授Nano Energy: 通过八电子转移过程高效转化SF6用于锂电池

作为造成全球变暖最强大的温室气体,六氟化硫(SF6)的捕获和转化技术一直是前沿研究热点。近年来,Li-SF6电池被认为一种绿色、有效的方法在转化这种全氟气体的同时,还能够满足能量密度的高要求。理论上,Li-SF6电池可获得较高的电位(3.69 V vs Li/Li+)和较高的理论重量能量密度(3922 W h kg-1)。可以看到,如此之高的能量密度比商用锂离子电池(<1000 W h kg-1)高出数倍,甚至优于室温锂氧电池(<3457 W h kg-1)。尽管有这些潜在的优势,Li-SF6电池的发展仍处于初级阶段,而且Li-SF6电池在放电过程中的一些深入理解也有待研究。

在本文中,厦门大学杨勇教授课题组采用合适的多孔炭作为正极host以调节SF6气体,通过两个电压步骤成功实现了SF6的八电子还原,从而显著提高了Li-SF6电池的电化学性能。首先,作者对在过量SF6气氛下碳基正极host的结构进行了优化。研究发现,由于碳含有足够的传质和电荷转移位点,因此具有大比表面积和孔容的碳材料表现出较高的放电容量(>20000 mA h gc-1)和较低的过电位。然而,实验和DFT计算结果表明,该气氛下的SF6并不能还原为Li2S,气体电极上的LiF和电解液中的溶剂化多硫化物才是主要的还原物种。此外,由于LiF对正极的钝化作用,极大地限制了较低电位下溶剂化锂多硫化物进一步还原为固态Li2S。基于上述认识,作者在电池放电时设置了一个限制条件,该条件下沉积的LiF不足以钝化气体电极,而且还具有大于10000 mA h gc-1的容量。结果表明,电极在≈2.0 V出现了一个额外的平台,该平台与还原产物Li2S的形成有关。与在过量气氛中获得的能量密度(约2000 W h kg-1)相比,本文提出的SF6完全还原可产生更高的能量密度,约为2300 W h kg-1【电池前沿】| 杨勇、孙世刚、江雷、刘生忠、汪国秀、支春义、杨阳、唐永炳等电池研究最新成果速览

Huajin He, Fucheng Ren, Jianping Zhu, Yuxuan Xiang, Bizhu Zheng, Sheng Li, Shijian Chen, Yixiao Li, Qi-Hui Wu, Yong Yang. Highly-efficient conversion of SF6 via an eight-electron transfer process in lithium batteries. Nano Energy 2020. DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104679.

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104679

  1. 厦门大学孙世刚院士Nano Energy: 仿生微细胞正极用于锂硫电池

锂硫电池在几十年来一直受到穿梭效应和活性物质损失的影响,导致倍率性能和循环稳定性皆不如人意。在本文中,厦门大学孙世刚院士、廖洪钢教授联合湖北大学梅涛教授等课题组受红细胞(氧气传输的重要介质)的启发,利用黑曲霉菌衍生碳材料修饰TiO2-x纳米颗粒作为高效储能介质,构建了一个仿生微细胞。模拟红细胞的仿生微细胞可以有效的将活性物质进行限域,而其内部的双腔结构可赋予电极丰富和缩短的电子/离子通道。同时,该结构还表现出优异的耐久性。因此,一旦活性物质被负载,该微细胞中足够的反应位点将有助于多硫化物的稳定吸附和转化,使其能够像具有选择性渗透和转化能力的细胞膜一样运行。在电化学测试中,利用仿生微细胞制作出的电池阴极在0.5 C下500次循环后的容量为995 mAh g-1,在2 C下700次循环后的容量为720 mAh g-1,容量保留率约为80%。密度泛函理论计算进一步表明,微细胞中的氧缺陷可以增强多硫化物的化学吸附能力,并通过促进表面离子迁移来加速多硫化物的氧化还原反应。【电池前沿】| 杨勇、孙世刚、江雷、刘生忠、汪国秀、支春义、杨阳、唐永炳等电池研究最新成果速览

Shiyuan Zhou, Jinyuan Hu, Sangui Liu, Jin-Xia Lin, Jun Cheng, Tao Mei, Xianbao Wang, Hong-Gang Liao, Ling Huang, Shi-Gang Sun. Biomimetic Micro Cell Cathode for High Performance Lithium-Sulfur Batteries. Nano Energy 2020. DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104680.

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104680

  1. 北京航空航天大学江雷院士Angew. Chem. Int. Ed.: 电化学沉积法一次制备出30多种单原子催化剂

鉴于世界上几乎取之不尽、用之不竭的钠资源,钠离子电池(SIBs)被认为是可代替锂离子电池的一种非常有吸引力的能源存储器件,因此在过去的十年里受到广泛的关注。目前,最先进的钠离子电池正极材料性能可与锂离子电池相当,但受限于比容量和氧化还原电位,目前SIBs的负极材料仍难以达到锂电常见负极材料的高度。对于碳负极材料而言,引入杂原子(如B、N、S和P)被公认为是提高钠电池容量、表面浸润性和电子导电性一种有前景的方法,并且可以促进电荷转移和电极/电解液相互作用。

目前,氮掺杂碳是目前研究最多的杂原子掺杂碳负极材料。作为石墨的类似物,石墨碳氮化合物(g-C3N4)或无序聚合碳氮化合物三嗪亚单元通过一层平面叔胺基连接。已有研究证明,500 nm厚的取向碳氮化合物是良好的离子导体,该特性可使氮化碳薄层在电池中作为固体电解质界面(SEI)的理想选择。因此,北京航空航天大学江雷院士联合德国马普所Markus Antonietti教授等课题组在铜金属电极上沉积了超薄的氮化碳膜,发现其显示出异常高的储钠能力。作者通过一种高效、简便和通用的化学气相沉积法,所制备出的g-C3N4薄膜厚度可达10nm。可逆容量可达51 Ah g‐1的电化学测试结果表明Na不仅可以存储在氮化碳中,而且氮化碳还可以激活金属进行进一步的可逆Na沉积。与此同时,还可以形成固体电解质界面层,避免金属相与液体电解质的直接接触。【电池前沿】| 杨勇、孙世刚、江雷、刘生忠、汪国秀、支春义、杨阳、唐永炳等电池研究最新成果速览

Lu Chen, Runyu Yan, Martin Oschatz, Lei Jiang, Markus Antonietti and Kai Xiao. Ultrathin 2D graphitic carbon nitride @ metal films: underpotential sodium deposition in adlayers for sodium‐ion batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI: 10.1002/anie.202000314.

文章链接:https://doi.org/10.1002/anie.202000314

  1. 陕西师范大学刘生忠教授Adv. Sci.: 挥发性固体溶剂工程用于高效稳定钙钛矿太阳能电池

目前,杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)的功率转换效率(PCEs)已从最初的3.8%显著提高到25.2%,足以证明PSCs作为商业硅基太阳能电池替代器件在光伏领域应用的巨大潜力。对于PSCs的性能而言,能否在钙钛矿薄膜中形成均匀无针孔的表面形貌、良好的结晶度和较大的晶粒尺寸非常重要,而上述因素均受到成核和晶体生长过程的强烈影响。有机-无机杂化钙钛矿材料可由有机卤化物与Pb(II)卤化物反应合成,钙钛矿薄膜的沉积、成核和晶体生长过程均在质子性溶剂中。大多数溶剂或添加剂具有大约或超过200 ℃的高沸点和对PbI2的弱配位能力,因此会延缓有机-无机杂化钙钛矿材料的结晶速率,从而促进均匀薄膜的生长。然而,在上述常见方法中,所制备出的钙钛矿材料很可能会形成不需要的相残余。

在本文中,陕西师范大学刘生忠教授课题组提出了一种在不同于常用添加剂的FA0.85MA0.15PbI3 (FA: HC(NH2)2; MA: CH3NH3)钙钛矿前驱体溶液中加入挥发性固体乙醇酸(HOCH2COOH, GA)以有效调节钙钛矿结晶度的方法。随着第一次二甲基亚砜升华过程的进行,在FA0.85MA0.15PbI3钙钛矿薄膜中的GA可在150℃前升华,从而巧妙地调节钙钛矿的结晶度,且在退火完成后不留任何残余。此外,GA与Pb2+之间的强相互作用使GA改性后薄膜的形成率提高了21.32%。为了研究挥发性物质在钙钛矿太阳能电池中的作用,作者采用与GA结构相似的非挥发性巯基乙酸(HSCH2COOH, TGA)作为添加剂。研究发现,TGA改性虽然可获得较大的钙钛矿晶粒,但该薄膜上有明显的针孔,从而导致缺陷密度增加,使PCE下降。更重要的是,基于GA的PSC器件的最优PCE为21.32%,比基于对照器件和基于TGA的器件分别高出13%和20%。而且,GA改性的PSCs器件在光、热和湿度实验中表现出最佳的稳定性。【电池前沿】| 杨勇、孙世刚、江雷、刘生忠、汪国秀、支春义、杨阳、唐永炳等电池研究最新成果速览

Guohua Wu, Hua Li, Jian Cui, Yaohong Zhang, Selina Olthof, Shuai Chen, Zhike Liu, Dapeng Wang, and Shengzhong (Frank) Liu. Solvent Engineering Using a Volatile Solid for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells. Adv. Sci. 2020. DOI: 10.1002/advs.201903250.

文章链接:https://doi.org/10.1002/advs.201903250

  1. 悉尼科技大学汪国秀教授ACS Nano:含有稳定氟化界面的2D磷烯/Ti3C2Tx MXene纳米结构高效储钠

将互补的二维材料堆叠成杂化结构作为电极,对于容量更高、充电速度更快、寿命更长的电池来说是非常理想的,然而,在储能领域应用的二维异质结材料还不太成熟,如库仑效率低等相关问题仍旧需要解决。在本文中,悉尼科技大学汪国秀教授课题组报道了一种可原位形成稳定氟化界面的磷烯/MXene杂化负极材料,用于高效和快速的钠离子储存。该杂化材料中磷烯纳米片Ti3C2Tx MXene的结合不仅有利于电子与钠离子的迁移,而且有利于缓解磷烯材料在电化学过程中发生的结构膨胀,从而总体上改善了杂化负极的循环性能。XPS分析表明,MXene中的端F基可在负极表面形成富氟层,进一步稳定固态电解质界面。DFT计算也证实在磷烯/MXene异质结构中,钠的亲和力和扩散动力学显著增强。因此,该复合电极在无氟碳酸盐电解液中具有优异的电化学性能,在0.1 A g-1电流密度下的可逆容量为535 mAh g-1;以及杰出的循环稳定性,在1 A g-1电流密度下经过1000次循环,电极容量依旧维持在343 mAh g-1,容量保持率为87%。【电池前沿】| 杨勇、孙世刚、江雷、刘生忠、汪国秀、支春义、杨阳、唐永炳等电池研究最新成果速览

Xin Guo, Wenxue Zhang, Jinqiang Zhang, Dong Zhou, Xiao Tang, Xiaofu Xu, Baohua Li, Hao Liu, and Guoxiu Wang. Boosting Sodium Storage in 2D Phosphorene/Ti3C2Tx MXene Nanoarchitectures with Stable Fluorinated Interphase. ACS Nano 2020. DOI: 10.1021/acsnano.0c00177.

文章链接:https://doi.org/10.1021/acsnano.0c00177

  1. 香港城市大学支春义教授Energy Storage Mater.:柔性能源存储器件中的能量密度问题

随着可穿戴电子技术的飞速发展,对柔性电源也提出了更高的要求。作为柔性储能和转换系统的明星,柔性可充电电池在保持高柔性的同时,还具有高能量密度和动态稳定输出等特点,因此是一种非常有前景的柔性储能器件。然而,为了实现高柔韧性,能量密度往往在在很大程度上是被牺牲掉的。因此,鉴于柔性储能器件已取得令人印象深刻的进展,当前迫切需要对其进行深入的能量密度评估。在本文中,香港城市大学支春义教授课题组首先简要介绍了能量密度的测量方法,然后对高能柔性锂离子电池、钠离子电池和锌离子电池的发展现状进行了全面详细的总结和比较。在文章中,作者阐述了几种在保持高柔性前提下实现高能量密度的策略,包括选择高比容量或高电压的活性材料作为电极、尽量减少非活性组分的比例、电极和电池结构工程、以及开发固态电解质等。最后,作者对未来研究的关键挑战和重要方向进行了展望。【电池前沿】| 杨勇、孙世刚、江雷、刘生忠、汪国秀、支春义、杨阳、唐永炳等电池研究最新成果速览

Donghong Wang, Cuiping Han, Funian Mo, Qi Yang, Yuwei Zhao, Qing Li, Guojin Liang, Binbin Dong, Chunyi Zhi. Energy density issues of flexible energy storage devices. Energy Storage Mater. 2020. DOI: 10.1016/j.ensm.2020.03.006.

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.03.006

  1. 加利福尼亚大学杨阳教授Adv. Mater.:聚合辅助晶粒生长策略用于高效稳定钙钛矿太阳能电池

从本质上讲,在钙钛矿太阳能电池中,表面和晶界处的有害缺陷会极大地限制电池性能和稳定性,尽管一些具有特定官能团的小分子和聚合物可以钝化这些离子缺陷,但该方法分别受到挥发性和沉淀问题的不利影响。在本文中,加利福尼亚大学杨阳教授联合南京大学朱嘉教授等课题组从PbI2前驱体中加入小单体开始,在顺序沉积法中成功引入了一种聚合辅助晶粒生长策略。通过PbI2薄膜在退火过程中触发聚合反应,更大的聚合物会形成并且粘附在晶界上,而且还可以保留先前与PbI2之间的相互作用。在钙钛矿形成后,固定在界面上的聚合物能有效钝化次配位铅离子,从而降低缺陷密度。利用该策略组装出的太阳能电池,其最优功率转换效率(PCE)为23.0%,并具有非常优异的使用寿命,即便在504 h连续光照和2208 h放置后,初始PCE值依旧可以保持在85.7%和91.8%。【电池前沿】| 杨勇、孙世刚、江雷、刘生忠、汪国秀、支春义、杨阳、唐永炳等电池研究最新成果速览

Yepin Zhao, Pengchen Zhu, Minhuan Wang, Shu Huang, Zipeng Zhao, Shaun Tan, Tae-Hee Han, Jin-Wook Lee, Tianyi Huang, Rui Wang, Jingjing Xue, Dong Meng, Yu Huang, Jaime Marian, Jia Zhu, and Yang Yang. A Polymerization‐Assisted Grain Growth Strategy for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells. Adv. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adma.201907769.

文章链接:https://doi.org/10.1002/adma.201907769

  1. 中科院深圳先进技术研究院唐永炳研究员Nat. Commun.:KFeC2O4F正极用于超长循环钾离子电池

钾离子电池具有低成本、高倍率等优点,是一种极具吸引力的大规模储能技术,然而,由于缺乏合适的正极材料,钾离子电池的研究目前仍处于初级阶段。在本文中,中科院深圳先进技术研究院唐永炳研究员联合清华大学-伯克利深圳研究院成会明院士等课题组开发出一种可作为钾离子存储的高稳定正极材料KFeC2O4F,该材料在0.2 A g1的电流密度下提供约112 mAh g−1的放电容量,即便在2000次循环后,容量保持率仍旧高达94%。如此前所未有的循环稳定性可归因于材料的刚性框架和内部的三个通道,以减弱在Fe2+/Fe3+氧化还原反应发生时材料中的体积变化。此外,作者还将KFeC2O4F正极与软碳负极进行配对,进一步组装出钾离子全电池。该电池不仅具有优异的能量密度235 Wh kg1,而且还具有令人印象深刻的倍率性能,且在200个循环内具有几乎没有容量衰减。【电池前沿】| 杨勇、孙世刚、江雷、刘生忠、汪国秀、支春义、杨阳、唐永炳等电池研究最新成果速览

Bifa Ji, Wenjiao Yao, Yongping Zheng, Pinit Kidkhunthod, Xiaolong Zhou, Sarayut Tunmee, Suchinda Sattayaporn, Hui-Ming Cheng, Haiyan He & Yongbing Tang. A fluoroxalate cathode material for potassium-ion batteries with ultra-long cyclability. Nat. Commun. 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-15044-y.

文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-020-15044-y

本文由能源学人编辑xiaotengma发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/31391.html

参考文献: