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由于其高理論能量密度、安全性和豐富的自然資源，可充電鈣電池在可持續能源存儲解決方案方面具有吸引力。然而，二價鈣離子和活性鈣金屬與正極材料和非水系電解質溶液強烈相互作用，導致電極-電解液界面處的電荷轉移勢壘高，從而電化學性能較差。

在此，德國烏爾姆亥姆霍茲研究所（HIU）Zhirong Zhao-Karger等人提出了一種整體的方法，通過構建一個具有動力學優勢的有機正極（1,4-聚蒽醌）和鈣錫（Ca-Sn）合金負極的全電池以繞過由鈣金屬負極鈍化引起的障礙，并使正負極同時進行氧化還原化學反應。此外，具有良好電化學性能的電解液對于確保足夠的Ca²⁺遷移率和電極界面處的電荷轉移以增強電池動力學至關重要。

為此，作者展示了由1,4-聚蒽醌（14PAQ）正極和Ca-Sn合金負極與Ca[B(hfip)₄]₂在二甲氧基乙烷（DME）中電解液組成的全電池的電化學性能。晶體學和微觀結構表征表明，在微米尺寸的塊狀Ca-Sn電極材料的初始電化學脫合金過程中形成的Sn在隨后的合金化過程中轉變為CaSn₃，且這個新相能夠進行可逆的鈣化/脫鈣。

圖1. 不同電化學狀態下Ca-Sn合金負極的微觀結構和晶體學分析

電化學測試表明，Ca_xSn??14PAQ電池與Ca??14PAQ電池相比表現出明顯不同的電化學特征。其中，Ca_xSn??14PAQ電池在130 mA g^-1下超過1200次循環后的可逆容量為152 mAh g^-1（對應于61%的容量保持率），在260 mA g^-1下循環超過5000 次后可逆容量為78 mAh g^-1。有趣的是，在大約200次循環后，電池表現出相對穩定的容量保持率，庫侖效率> 99%，表明正負極兩側的電化學過程具有高度可逆性。

總之，這項研究表明微觀結構是鈣電池合金負極可逆性的關鍵考慮因素，原位形成獨特的互連多孔結構有利于循環穩定性。此外，微米級的Ca-Sn合金粉末可以直接合成，這被認為是一種有前途的大規模應用方法，使用全電池配置代替傳統的半電池可為發現鈣離子電池的新電極材料提供可行的選擇。

圖2. Ca_xSn??14PAQ與Ca??14PAQ電池的性能對比

Calcium-tin alloys as anodes for rechargeable non-aqueous calcium-ion batteries at room temperature, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-31261-z

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Nature子刊：鈣錫合金作為室溫下可充電非水系鈣離子電池負極

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