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孫學(xué)良院士/賀艷兵AM：電子和離子共導(dǎo)電催化劑實(shí)現(xiàn)多硫化鋰的瞬時(shí)轉(zhuǎn)化

鋰硫（Li-S）電池中的大多數(shù)催化劑都表現(xiàn)出低電導(dǎo)率，多硫化鋰（LiPSs）必須擴(kuò)散到碳材料的表面才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化反應(yīng)。在Li-S電池中實(shí)現(xiàn)LiPSs向Li₂S的瞬時(shí)轉(zhuǎn)化以抑制LiPSs的穿梭效應(yīng)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

加拿大西安大略大學(xué)孫學(xué)良院士、清華大學(xué)深圳國際研究生院賀艷兵等開發(fā)了一種獨(dú)特的碳包覆Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃(C@LATP)電子和離子共導(dǎo)電催化劑，該催化劑不僅對(duì)LiPSs具有強(qiáng)吸附性，而且更重要的是，還可促進(jìn)LiPSs向 Li₂S的瞬時(shí)轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

圖1 使用C@LATP的Li-S電池的轉(zhuǎn)化反應(yīng)示意圖

對(duì)LiPSs具有強(qiáng)吸附性的C@LATP可以有效地為LiPSs向Li₂S的轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供鋰離子和電子，這可以顯著降低LiPSs的反應(yīng)勢(shì)壘以促進(jìn)其瞬時(shí)轉(zhuǎn)化。結(jié)果，使用C@LATP的LiPSs轉(zhuǎn)化反應(yīng)路徑從傳統(tǒng)的“吸附-擴(kuò)散-轉(zhuǎn)化”轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦偷摹拔?轉(zhuǎn)化”。

因此，LiPSs的穿梭效應(yīng)和Li-S電池的不可逆自放電被大大抑制，LiPSs的可逆性得到明顯提高。

圖2 C@LATP的表征和對(duì)LiPSs的吸附行為

由于C@LATP與高效電子和離子傳輸以及對(duì)LiPSs的強(qiáng)吸附的多功能集成，基于C@LATP的Li-S電池實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)和倍率性能。采用C@LATP涂層隔膜的Li-S電池在1 C下循環(huán)1000次后可提供602 mAh g^-1的容量，遠(yuǎn)大于涂有 LATP/Super P混合物的隔膜（205 mAh g^-1）。

此外，在5 mg cm^-2的高硫負(fù)載下仍可實(shí)現(xiàn)出色的倍率性能和循環(huán)性能。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了電子和離子共導(dǎo)固態(tài)電解質(zhì)對(duì)先進(jìn)Li-S電池中LiPSs的瞬時(shí)轉(zhuǎn)化的重要性。

圖3 采用不同隔膜的Li-S電池的電化學(xué)性能

Electron and Ion Co-Conductive Catalyst Achieving Instant Transformation of Lithium Polysulfide towards Li₂S. Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202105362

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