免费观看电影,成人网站在线进入爽爽爽,精品国产电影

喬世璋團隊2024年首篇Nature子刊！

成果簡介

水系鈉離子電池（ASIBs）在大規模儲能方面前景廣闊，但其能量密度和使用壽命受到水分解的限制。目前提高水穩定性的方法，包括使用昂貴的含氟鹽來形成固體電解質界面，以及在電解質中添加潛在易燃的助溶劑來降低水的活性。然而，這些方法顯著增加了成本和安全性。將電解質從近中性轉變為堿性不僅抑制析氫反應（HER），而且引發析氧反應（OER）和正極溶解。

基于此，澳大利亞阿德萊德大學喬世璋教授等人報道了一種堿性水系鈉離子電池（ASIBs），其由Mn-基普魯士藍類似物（PBAs）正極（Na₂MnFe(CN)₆, NMF）、NaTi₂(PO₄)₃（NTP）負極和無氟高氯酸鈉（NaClO₄）堿性電解質組成，成本明顯低于高濃度電解質中常用的三氟化鈉和二(三氟甲基磺酰基)亞胺鈉，堿性電解質在負極抑制HER。

測試發現，該電池在10 C下具有13000次循環的壽命，在0.5 C下具有88.9 Wh kg^-1的高能量密度。原位衰減全反射紅外（ATR-IR）和operando同步加速器X射線粉末衍射（XRPD）證實，在NMF正極上涂覆一層商用的鎳/碳（Ni/C）納米顆粒，在正極表面附近形成了一個富含H₃O⁺的局部環境，而富含H₃O⁺的局部環境是由于Ni(OH)₂的不可逆形成和Ni(OH)₂/NiOOH的可逆氧化還原，顯著降低了OER和電極溶解，提高了電池的耐用性。此外，通過operando拉曼光譜和高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）證實，涂層中的部分Ni原子被原位嵌入正極中，以穩定堿性介質中的NMF結構。

研究背景

由于豐富的Na資源和與商業/工業系統的兼容性，水系鈉離子電池（ASIBs）在大規模儲能方面具有很大的前景。然而，由于水的電化學穩定窗口較窄，限制其能量密度和循環穩定性。此外，循環過程中由水分解產生的氫氣（H₂）累積危及電池的安全性，并限制ASIBs的發展。改善水系電池性能通常是使用昂貴的含氟鹽來構建固體電解質間相（SEI），以抑制HER并增加電解質的電化學窗口，但SEI組分的高溶解度限制耐久性。使用聚合物等共溶劑可改善電解質的水穩定性，但增加電解質的粘度，很難匹配商用的高負載電極。

將電解質從近中性轉變為堿性，增強正極上的OER，抑制HER，電解質中高濃度的OH^–限制正極的選擇，因為過渡金屬基電極與OH^–相互作用，導致電極結構惡化，特別是Mn基PBAs正極。PBAs具有無毒、低成本、高能量密度等優點，是傳統水系電池中廣泛應用的正極材料。然而，由于Mn²⁺/Mn³⁺的氧化還原偶和Fe的溶解所引起的強Jahn-Teller效應，使其在堿性電解質中的應用受到限制，而Fe在堿性電解質中以Fe(CN)₆^3/4-絡合物的形式溶解。因此，基于PBAs的堿性ASIBs尚未開發。

圖文導讀

在0.5-2.2 V的寬充電電壓內，作者測試了中性電解液和堿性電解液（有無Ni/C涂層）的NMF//NTP全電池的性能。在1 C下，沒有Ni/C涂層的電池在中性和堿性電解質中都表現出快速的容量衰減，在200次循環后容量保留率為60%，而有Ni/C涂層的堿性電池的容量保留率約為100%。此外，具有Ni/C涂層的電池在-30 °C和0.5 C下循環200次后的容量保持率為91.3%。更重要的是，該全電池在堿性電解質中顯示出創紀錄的13000次循環的壽命，在10 C時具有74.3%的高容量保持率，超過了已報道許多水系電池的性能。

圖1. NMF//NTP幣式電池在0.5-2.2 V內的電化學性能

作者組裝了Ni/C涂層的堿性電解質NMF//NTP袋式電池，電極負載量約為20 mg cm^-2。在500 mA g^-1下循環1000次后容量保持率約為85%，在300 mA g^-1下循環200次后容量保持率約為100%。在“惡劣”的切割和水中浸泡條件下，也顯示出高穩定性。切開的袋式電池在水中連續為數字濕度計溫度計供電20 h，證實該電池可以抵抗電解質泄漏，并能承受高濕度環境中的重大損壞。在正負極容量比為1.06和0.5 C的充電倍率下，能量密度達到了88.9 Wh kg^-1。

圖2. NMF//NTP袋式電池的電化學性能

通過原位ATR-IR光譜，作者分析了Ni/C涂層的界面結構。對于純碳修飾的電極，即使充電到1.3 V，光譜也沒有明顯變化，表明碳和載體不會改變陰極表面的局部環境。在Ni/C修飾下，當電位超過0.6 V時，在1798和2032 cm^-1處出現新的峰，歸因于H₃O⁺的兩種不對稱O-H拉伸模式。在堿性電解液中，在NMF正極涂覆Ni/C后，除在激活表面涂層前的第一次循環中痕量的O₂外，HER和OER都不明顯。因此，Ni/C保護層誘導的富H₃O⁺局部環境抑制堿性電解質中的OER，而堿性電解質則延緩HER。

圖3. 產生富含H₃O⁺的微環境

在充電過程中，Mn基PBA正極表面發生Mn溶解，導致Mn空位的產生。在未保護體系中，Mn離子的持續溶解導致結構崩潰，對電池的循環穩定性產生不利影響。在Ni/C保護體系中，原位取代的Ni原子平衡Mn溶解引起的微小結構擾動。放電過程中，Ni的氧化產生Ni²⁺，逐漸進入晶體骨架，通過形成Ni-N鍵填補Mn空位。operando拉曼光譜證實，循環前在2089和2124 cm^-1處有兩個明顯的峰，分別對應于Fe²⁺-CN-Mn²⁺和Fe²⁺-CN-Mn³⁺振動；充電至1.89 V后，兩個峰均消失，表明Fe²⁺轉變為Fe³⁺，Mn²⁺轉變為Mn³⁺。結果表明，NMF顆粒中Ni原子的引入是隨著Mn²⁺向Mn³⁺的轉變而發生的。單個NMF顆粒的EDS線掃描光譜證實，Ni原子被引入顆粒邊緣可以抑制內部Mn原子的溶解。

圖4. 反應機理的確定和原位Ni取代

圖5. 在0.5-2.2 V循環中NMF正極的operando結構分析

文獻信息

Alkaline-based aqueous sodium-ion batteries for large-scale energy storage.?Nat. Commun.,?2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-44855-6.

原創文章，作者：wdl，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/01/27/2196c8f7fe/

末成年小嫩xb,嫰bbb槡bbbb槡bbbb,免费无人区码卡密,成全高清mv电影免费观看

喬世璋團隊2024年首篇Nature子刊！

相關推薦