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1. Yang-Kook Sun&Seung-Taek Myung最新AM：來自大自然的禮物：二次電池的仿生材料

電池頂刊集錦：黃云輝/楊全紅/謝清水/梁叔全/何海勇/張新宇/劉智驍等人最新成果

自然界中的材料已經進化成最有效的形式，并在數萬年的時間里適應了各種環境條件。由于它們的多功能和環境友好性，許多人嘗試將仿生材料用于工業應用，從而確立了仿生學的重要性。仿生學已經成為在可充電二次電池領域尋求技術突破的關鍵。近日，韓國世宗大學Yang-Kook Sun（通訊作者）和漢陽大學Seung-Taek Myung（通訊作者）等人在材料研究頂級期刊Adv. Mater.上發表了題為”Gifts from Nature: Bio-Inspired Materials for Rechargeable Secondary Batteries”的綜述論文。

作者討論了可用于二次電池的仿生材料的特性及其作為電池主要部件(如電極、隔膜和粘結劑)應用的好處。介紹了仿生材料在合成復雜結構納米材料、生物質制備低成本電極材料、鋰離子電池生物分子有機電極等方面的應用。此外，還討論了天然隔膜和粘結劑，包括它們在提高電池性能和安全性方面的作用。還提到了鈉離子電池、鋅離子電池和柔性電池等下一代二次電池的最新進展，以了解在這些新的電池系統中使用仿生材料的可行性。最后，總結了目前的研究趨勢，并提出了未來的研究方向，為二次電池仿生技術的發展提供了重要的科學和實際問題的見解。

可充電二次電池的代表性仿生材料及相應策略

生物模板材料生物模板尺寸的顯微圖像

作為模板材料的樹和硅藻切片的顯微鏡圖像

Gifts from Nature: Bio-Inspired Materials for Rechargeable Secondary Batteries(Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202006019)

2. 梁叔全&潘安強&何海勇最新AM：鈉離子電池倍率性能和循環穩定性新策略

大量研究表明，由于層間距的增大，增加了層間距，從而提高了碳負極的倍率能力。然而，當掃描速率大于1 mV s^?1時，擴散控制容量的百分比小于30%，這表明對炭素負極倍率能力提高原理的認識是不準確的。近日，中南大學梁叔全（通訊作者），潘安強（通訊作者）和寧波材料所何海勇（通訊作者）等人在材料研究頂級期刊Adv. Mater.上發表了題為”Increasing Accessible Subsurface to Improving Rate Capability and Cycling Stability of Sodium-Ion Batteries”的研究性論文。

作者研究發現，雜原子摻雜對體相碳層間距影響不大，即擴散控制能力很難通過摻雜來提高。然而，在拉應力協同作用下，次表層的層間距明顯擴大到0.40 nm，這將增加高電流密度下可接近的次表層的厚度。此外，碳結構的高度可逆性確保了超長循環的穩定性，因此，即使在10 A g^?1下進行6000次循環，SRNDC700的衰減率也只有0.0025%。本文對摻雜改善炭質負極電化學性能的機理有了新的認識，為碳摻雜提供了一種新的設計思路。

富硫氮摻雜三維多孔碳骨架(SRNDC)可逆鈉化/去離子化的示意圖

SRNDC-700形貌和結構示意圖

SRNDC-700的XPS，拉曼和孔隙率測試

Increasing Accessible Subsurface to Improving Rate Capability and Cycling Stability of Sodium-Ion Batteries(Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202100808)

3. 湖南大學劉智驍&陳小華最新AM：糖精竟然可以穩定鋅負極

由于負極/電解質界面(AEI)不穩定，鋅負極庫侖效率(CE)較低，枝晶形成嚴重。循環前形成的雙電層(EDL)結構對在鋅表面形成穩定的固體電解質界面(SEI)具有重要意義，但以往對鋅負極穩定性的研究很少。近日，湖南大學劉智驍（通訊作者）和陳小華（通訊作者）等人在材料研究頂級期刊Adv. Mater.上發表了題為”Stabilizing Zinc Anodes by Regulating the Electrical Double Layer with Saccharin Anions”的研究性論文。

作者引入糖精(SAC)作為電解質添加劑來調節AEI上的EDL結構。結果表明，SAC衍生的陰離子優先吸附在鋅金屬表面，而不是水偶極子，形成了一種新的貧水的電致發光結構。此外，由于SAC陰離子的分解，在Zn表面也檢測到了獨特的SEI。兩者都被證明能夠調節鋅的沉積行為并防止副反應。使用SAC添加劑的鋅鋅對稱電池在惡劣的測試條件下(10 mA cm^?2，10 mAh cm^?2)，可提供2.75 Ah cm^?2的高容量和99.6%的高CE。在40 mA cm^?2的高倍率下也獲得了良好的穩定性。在Zn-MnO₂全電池中進一步證明了該添加劑的有效性。

不同電極的結構表征

電極的XPS表征

電池的電化學性能

Stabilizing Zinc Anodes by Regulating the Electrical Double Layer with Saccharin Anions(Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202100445)

4. 廈門大學謝清水&彭棟梁最新AM:精確調節富鋰錳基正極材料初始庫侖效率

富鋰錳基正極材料是高能量密度鋰離子電池的潛在正極材料。然而，低的初始庫侖效率嚴重阻礙了LRM的商業化。近日，廈門大學謝清水（通訊作者）和彭棟梁（通訊作者）等人在材料研究頂級期刊Adv. Mater.上發表了題為”A Universal Strategy toward the Precise Regulation of Initial Coulombic Efficiency of Li-Rich Mn-Based Cathode Materials”的研究性論文。

作者提出了一種簡單易行的油酸輔助界面工程，用于精確控制離子交換膜，有效提高LRM可逆容量和速率性能。結果，LRM的ICE可以精確地從84.1%調整到100.7%，并且在0.1 C下獲得了330 mAh g^-1的非常高的比容量，以及在5 C下具有250 mAh g^-1的比容量。理論計算表明，引入的陽離子/陰離子雙缺陷可以降低Li⁺離子的擴散勢壘，原位表面重建層可以誘導一個自內置電場來穩定表面晶格氧。這項工作為通過多策略協同界面工程技術提高LRM的綜合電化學性能提供了一個有價值的新思路。

OA輔助界面工程示意圖

OAT-3表面區的HAADF-STEM圖像

電池的電化學性能

A Universal Strategy toward the Precise Regulation of Initial Coulombic Efficiency of Li-Rich Mn-Based Cathode Materials(Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202103173)

5. 臥龍崗大學Gordon G. Wallace& Jun Chen最新AFM綜述：3D打印穿戴式電化學能源裝置

可穿戴電子產品的新興市場刺激了對柔性且可靠的能量儲存和轉換單元（包括電池，超級電容器和熱電化電池）的商業化的需求迅速增長。3D打印是一種快速生長的制造技術套件，由于其相對較低的成本，設計自由度和可控的，可重復的原型設計能力，廣泛地用于上述能量相關領域。然而，可加工油墨配方和準確的材料/裝置設計存在挑戰。近日，臥龍崗大學Gordon G. Wallace（通訊作者）和Jun Chen（通訊作者）等人在材料研究頂級期刊Adv. Funct. Mater.上發表了題為”3D-Printed Wearable Electrochemical Energy Devices”的綜述論文。

作者通過總結最近在3D印刷的可穿戴電化學能量裝置中的進步并討論當前的限制和未來的發展。

各種可穿戴式電化學能量裝置的概要說明

可穿戴式電化學能源裝置的常規制造方法

3D打印系統的示意圖

3D-Printed Wearable Electrochemical Energy Devices(Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfa.202103092)

6. 日本京都大學Atsuo Yamada最新綜述：固體電解質界面形成理論分析

固體電解質界面(SEI)是電池電極上的一層離子導電層，它是在初始充電過程中電解液還原分解而形成的。SEI的性質對電池的安全性、功率和壽命有很大影響。因此，闡明SEI層的形成機制已成為當務之急。傳統的理論計算揭示了電解質還原分解的初始基本步驟，而實驗方法主要集中在最終形成的SEI的表征上。此外，理論和實驗方法都不能接近SEI增長的中間或瞬時狀態。近日，日本京都大學Atsuo Yamada（通訊作者）等人在材料研究頂級期刊Adv. Mater.上發表了題為”Frontiers in Theoretical Analysis of Solid Electrolyte Interphase Formation Mechanism”的綜述論文。

作者重點介紹了近年來在揭示其生長機理方面的理論成果，并為設計穩定的先進電池SEI層提供了明確的指導。

鋰離子電池固體電解質界面(SEI)示意圖

SEI形成過程的實驗和理論分析概述

不同時空尺度下SEI形成過程的理論模擬方法綜述

Frontiers in Theoretical Analysis of Solid Electrolyte Interphase Formation Mechanism(Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202100574)

7. 天津大學楊全紅&上海師范大學Ying Wan最新AM：鋰硫電池中多硫化物穿梭的選擇性催化修復

可溶性鋰多硫化物在電極間穿梭，導致容量衰減嚴重，電解液使用量過大，嚴重制約了鋰硫電池的實用化。近日，天津大學楊全紅（通訊作者）和上海師范大學Ying Wan（通訊作者）等人在材料研究頂級期刊Adv. Mater.上發表了題為”Selective Catalysis Remedies Polysulfide Shuttling in Lithium-Sulfur Batteries”的研究性論文。

作者提出選擇性催化是解決固-液-固硫連續氧化還原反應的根本途徑。概念驗證的銦(In)基催化劑有針對性地減緩了固-液轉化、元素硫向多硫化物的溶解，而加速了液-固轉化、多硫化物向不溶性Li₂S的沉積，基本上減少了多硫化物在電解液中的積累，最終抑制了穿梭效應。通過改變反應活化能和動力學電流，改變反應路徑，結合所探索的動態變化催化劑(LiInS₂催化劑)，以及In基催化劑的逐漸失活，從實驗和理論上揭示了選擇性催化作用。這種基于In的電池在4.0 C下穩定工作在1,000次循環中，初始面積容量高達9.4 mAh cm^?2，硫負載量為≈9.0 mg cm^?2。

解決可溶性多硫化鋰“穿梭效應”的策略

In基正極與無In正極的電化學性質比較

In基鋰硫電池與不含In電池的電化學性能比較

Selective Catalysis Remedies Polysulfide Shuttling in Lithium-Sulfur Batteries(Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202101006)

8. 黃云輝&秦家千&張新宇最新Naon Energy:纖維素納米纖維-氧化鋯隔膜抑制鋅枝晶

目前提倡的抑制鋅枝晶的電極和電解質的優化策略對于水性鋅離子電池仍然具有挑戰性。近日，華中科技大學黃云輝（通訊作者），朱拉隆功大學秦家千（通訊作者）和燕山大學張新宇（通訊作者）等人在材料研究頂級期刊Nano Energy上發表了題為“Modulating Zn deposition via ceramic-cellulose separator with interfacial polarization effect for durable zinc anode”的研究性論文。

作者開發了一種纖維素納米纖維-氧化鋯復合(ZC)隔膜，其具有易于制造和成本有效的特征，以穩定鋅陽極。ZC隔膜的設計能夠實現出色的離子電導率和高Zn²⁺轉移數(0.69)，高介電常數的氧化鋯顆粒通過麥克斯韋-瓦格納極化效應提供定向電場，調節均勻的鋅沉積，加速Zn²⁺離子擴散動力學并排斥陰離子，從而穩定鋅陽極并抑制鈍化反應。陶瓷-纖維素隔膜為建造用于大規模儲能的先進鋅負極提供了一種有吸引力的策略。

隔膜的形貌表征

隔膜的電化學性能測試

Zn²⁺通過隔膜可能的遷移過程示意圖

Modulating Zn deposition via ceramic-cellulose separator with interfacial polarization effect for durable zinc anode（Nano Energy，2021， DOI:10.1016/j.nanoen.2021.106322）

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電池頂刊集錦：黃云輝/楊全紅/謝清水/梁叔全/何海勇/張新宇/劉智驍等人最新成果

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