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水系鋅離子電池（AZIBs）是實現大規模儲能的有希望的候選者，但鋅金屬負極帶來的不良副反應和不令人滿意的循環壽命限制了其應用潛力。

為此，中科院上海應用物理研究所周興泰研究員、朱大明等人首次設計了一種同時具有適當硫空位（S-空位）和聚苯胺（PANI）異質界面的CuS微花（CuS_1-x @PANI），并將其作為水系鋅離子電池的高性能轉換型負極材料。該CuS_1-x @PANI負極是通過簡單的水熱處理合成的，通過聚合同時將原子S-空位和苯胺單體注入到CuS微花中。

研究表明，該負極具有“一石三鳥”的內在優點：制造的S-空位增加了表面活性位點，從而增強了Zn²⁺的存儲；PANI異質界面表現出顯著的離子電導率，同時緩解了體積膨脹并確保了復合材料在循環過程中的結構穩定性；更重要的是，DFT計算結果充分證明了硫空位和異質界面工程對該負極整體性能的協同作用。兩者的共同作用調節了界面對Zn²⁺的吸附能，促進了快速的離子反應動力學。

圖1. CuS_1-x @PANI負極的合成與表征

因此，CuS_1-x@PANI電極在0.1 A g^-1下表現出215 mAh g^-1的出色容量，在10 A g^-1下2000次循環后仍具有90.7 mAh g^-1的高容量，表現出優異的循環穩定性。作者通過Operando同步XRD（SXRD）、Operando同步XAS和HR-STEM證實CuS_1-x @PANI的Zn²⁺存儲機制基于獨特的晶態-非晶轉化和高度可逆轉化反應。

此外，進一步組裝的CuS_1-x@PANI||Zn_xMnO₂全電池在1 A g^-1下顯示出138 mAh g^-1的高容量，并在10 A g^-1下表現出創紀錄的高達10000次循環的超長穩定性（容量保持率為80%），這滿足了間歇性可再生能源儲能循環壽命長、充電快、安全性高的要求且證明了該負極在實際應用中取代鋅負極的潛力。除了報道的復合材料之外，作者預計該結構概念將作為下一代二次電池系統電極材料的原型，為開發高性能搖椅AZIBs提供了新的機會。

圖2. CuS_1-x@PANI||Zn_xMnO₂全電池的電化學性能

Synergistic Engineering of Sulfur Vacancies and Heterointerfaces in Copper Sulfide Anodes for Aqueous Zn-Ion Batteries with Fast Diffusion Kinetics and an Ultralong Lifespan, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202200547

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周興泰/朱大明AEM: 基于無鋅負極的超長壽命轉換型水系鋅離子電池

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