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“別出心裁”！武漢大學(xué)曹余良/方永進教授團隊，最新JACS！電解質(zhì)穩(wěn)定性新進展！

研究背景

由于鈉資源的天然豐富和成本低，鈉離子電池（SIBs）被認(rèn)為是一種很有前途的大規(guī)模能源存儲應(yīng)用技術(shù)。然而，傳統(tǒng)的在SIBs中使用的碳酸鹽和醚電解質(zhì)具有高揮發(fā)性和易燃性，當(dāng)電池受到濫用條件時，它會燃燒，最終導(dǎo)致熱失控。有研究表明采用不易燃的全磷酸鹽電解質(zhì)可以有效地提高SIBs的安全性，然而，傳統(tǒng)的低濃度磷酸鹽電解質(zhì)與碳基陽極不相容。

成果簡介

基于此，武漢大學(xué)曹余良,?方永進教授團隊近日報道了一種陰離子?陽離子相互作用調(diào)制策略，開發(fā)了一種低鹽濃度、低成本、本質(zhì)上不易燃的磷酸鹽基電解質(zhì)。通過引入Tris（2,2,2-三氟乙基）磷酸鹽（TFEP）作為助溶劑，增強陰離子?陽離子相互作用來調(diào)節(jié)離子?溶劑配位（ISC）結(jié)構(gòu)。即使在1.22 M的低鹽濃度條件下也可以形成穩(wěn)定的陰離子誘導(dǎo)的ISC（AI-ISC）結(jié)構(gòu)，這有助于提高溶劑的電化學(xué)相容性。此外，由TFEP還原分解得到的富含NaF的無機SEI薄膜具有良好的界面相容性，保證了電解質(zhì)的穩(wěn)定，從而實現(xiàn)電池的長期循環(huán)穩(wěn)定。

相關(guān)成果以題為“Designing Advanced Electrolytes for High-Safety and Long-Lifetime Sodium-Ion Batteries via Anion?Cation Interaction Modulation”發(fā)表在《Journal of the American Chemical Society》上。

圖文導(dǎo)讀

在之前的工作中，作者發(fā)現(xiàn)了高配位數(shù)溶劑（HCNSs）和低配位數(shù)溶劑（LCNSs）的混合足以在低鹽濃度下獲得具有陰離子誘導(dǎo)的離子?溶劑配位（AI-ISC）溶劑化結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)。本文中作者選擇了不同的配位能力和不燃的TFEP和TMP作為LCNS和HCNS，制備全磷酸鹽電解質(zhì)。

圖1. 不同電解質(zhì)與HC和NFPP電極的電化學(xué)相容性。

作者通過組裝Na/HC半電池，研究了電解質(zhì)與HC陽極的電化學(xué)相容性。圖1a中不同摩爾比率下NaClO₄-TMP-TFEP電解質(zhì)對Na/HC半電池的初始充放電曲線表明TFEP含量的增加顯著提高了HC電極的初始庫倫效率。圖1b中MF150和MF132電解質(zhì)的線性掃描伏安曲線顯示MF132電解質(zhì)的氧化和還原耐受性均優(yōu)于MF150電解質(zhì)，說明TFEP有利于拓展電化學(xué)窗口。點火試驗表明，MF132磷酸鹽基電解質(zhì)具有優(yōu)異的阻燃性能，而不是像碳酸鹽電解質(zhì)那樣具有高度可燃性(圖1c)。此外，使用MF132的Na/HC半電池的循環(huán)性能顯著優(yōu)于使用MF150和和碳酸鹽電解質(zhì)的，說明了TFEP在長期循環(huán)穩(wěn)定性中的重要作用（圖1d）。使用MF150和MF132電解質(zhì)的第1、第20和第50個周期的Na/HC半電池的EIS Nyquist圖結(jié)果顯示MF150電解液中HC陽極的阻抗不斷增加，這可以歸因于電解液的劇烈分解導(dǎo)致了SEI膜的逐漸增長。而MF132電解液中HC陽極的阻抗即使在50次循環(huán)后仍保持穩(wěn)定，這表明其具有強大的SEI結(jié)構(gòu)（圖1e，f）。

作者又組裝了Na/NFPP半電池，研究了電解質(zhì)與NFPP陰極的電化學(xué)相容性。作者通過在不同的電流倍率下，評價了兩種電解質(zhì)中NFPP陰極的倍率能力。在MF150電解液中，NFPP陰極在10 C下提供了約44.9mAh g^-1的低可逆容量（圖1g）。相比之下，在MF132電解液中可以獲得更高的容量，為82.1 mAh g^-1。MF132電解液中的NFPP陰極的初始庫倫效率為91.7%，與MF150電解液中的相似（圖1h），但可逆性容量更高，為101.2 mAh g^-1。此外，MF132電解液中的NFPP陰極也表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。在1C條件下，超過1000個循環(huán)的容量保持率為96.9%（圖1i）。

圖2. 不同電解質(zhì)中的溶劑化結(jié)構(gòu)和相互作用

為了揭示不同電解質(zhì)電化學(xué)性質(zhì)不同的內(nèi)在原因，作者用核磁共振波譜對電解質(zhì)的溶劑化結(jié)構(gòu)進行了表征。圖2a顯示當(dāng)NaClO₄：TMP的摩爾比從1：9增加到1：3時，²³Na NMR信號從?1.61轉(zhuǎn)移到?3.85ppm，摩爾比為1：3的²³Na NMR峰的線寬明顯加寬。這些結(jié)果表明，在MF130電解質(zhì)中形成了AI-ISC結(jié)構(gòu)。當(dāng)NaClO₄：溶劑比例固定在1：5時，TFEP含量逐漸增加，²³Na核磁共振信號也經(jīng)歷了前場位移和線寬展寬。NMR信號表明，在MF141電解質(zhì)中，AI-ISC結(jié)構(gòu)沒有充分形成，這就解釋了為什么HC陽極在MF141電解質(zhì)中初始庫倫效率值較低（圖1a）。而對于MF132、MF123和MF114的電解質(zhì)，其²³Na NMR信號表明它們比高濃電解質(zhì)具有更多的AI-ISC結(jié)構(gòu)和更強的Na⁺-陰離子相互作用。

圖2b為固體NaClO₄和不同濃度的NaClO₄：TMP：TFEP的電解質(zhì)中ClO₄^?的對稱拉伸振動拉曼帶。特征帶位于936 cm^-1處。在加入TFEP后，它向靠近結(jié)晶固體NaClO4（950 cm^-1）的更高波數(shù)轉(zhuǎn)移，表明TFEP增強了Na⁺與陰離子之間的相互作用。強的陽離子?陰離子相互作用表明AI-ISC結(jié)構(gòu)的形成。圖2c中作者用用³¹P NMR譜進一步研究了電解質(zhì)中溶劑的化學(xué)環(huán)境。TMP通過負的P=O基團與Na⁺的配合將增強P=O基團的屏蔽效應(yīng)。隨著NaClO₄：TMP的摩爾比值的增加，這最終導(dǎo)致了TMP分子的³¹P NMR信號的前場偏移。同樣，TFEP與Na⁺的配位也導(dǎo)致了TFEP的³¹P信號的前場偏移。

為了進一步了解電解質(zhì)的微觀溶劑化結(jié)構(gòu)，作者采用經(jīng)典分子動力學(xué)（MD）來模擬溶劑化結(jié)構(gòu)（圖2d，g）并計算了帶有配位數(shù)的徑向分布函數(shù)（RDFs）（圖2e、h）。Na⁺-O（TMP）、Na⁺-O（ClO4?）和Na⁺-O（TFEP）的RDF峰均位于≈2.4 ?，表明ClO₄^–陰離子、TMP和TFEP都參與了Na⁺的第一個溶劑化殼層。

為了研究不同相互作用對Na⁺溶劑化環(huán)境的影響，作者又采用DFT計算了Na⁺和O（TMP、TFEP或ClO₄^?中的配位鍵）的電子密度ρ(r)和勢能密度V(r)。結(jié)果顯示在電解質(zhì)中加入TFEP后，陰離子的ρ(r)和V (r)分別增加和減少，而TMP的ρ(r)和V (r)本質(zhì)上是不變的，這表明TFEP引入AI-ISC結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是顯著增強的陰離子?陽離子相互作用。如圖2i所示，由于陰離子和溶劑之間的競爭，Na⁺可以在MF150和MF132電解質(zhì)中形成經(jīng)典的四配位結(jié)構(gòu)。此外，由于TFEP LCNS大大增強了陰離子?陽離子相互作用，陰離子更容易進入MF132電解質(zhì)中的第一個溶劑化殼層。

圖3. HC電極的表面形貌和SEI組成。

作者通過SEM和TEM對HC陽極50個循環(huán)后的形態(tài)進行了表征。SEM圖像顯示，HC在MF132電解質(zhì)中保持著光滑的表面，類似于原始的HC，而由于TMP的連續(xù)分解，它在MF150電解質(zhì)中表現(xiàn)出粗糙和苔蘚狀的外觀（圖3a?c）。根據(jù)TEM表征，在MF132電解質(zhì)中循環(huán)的HC陽極上的SEI厚度約為17 nm，與MF150電解液中HC陽極高度不均勻的SEI層相比，其更為均勻（圖3d?f）。

作者又采用TOF-SIMS和XPS析了SEI薄膜的組成和結(jié)構(gòu)。如圖3g，j所示，在MF150電解質(zhì)中生成的SEI中充滿了TMP的產(chǎn)物P^–，這表明TMP具有較強的還原分解，最終導(dǎo)致電池的電化學(xué)性能較差。如圖3h，i所示，NaF主要分布在SEI膜的表面，這種穩(wěn)定而致密的無機層有利于分離電解質(zhì)和HC陽極。MF132電解質(zhì)中的TMP分子具有更耐還原的ISC結(jié)構(gòu)，幾乎沒有分解，這表明在TOF-SIM中很少檢測到P^–離子片段（圖3k)。因此，所設(shè)計的MF132電解質(zhì)在HC陽極上形成了一個均勻而致密的SEI膜，而穩(wěn)定的無機組分，如氟化鈉，能分布在SEI膜的上層，有效地保護電解質(zhì)免受連續(xù)還原分解。

圖4. MF132電解質(zhì)下HC//NFPP軟包電池的電化學(xué)性能。

作者組裝了Ah級HC//NFPP軟包電池，證實了MF132電解液實際應(yīng)用的可能性。得益于MF132電解質(zhì)與HC陽極和NFPP陰極具有良好的兼容性，HC//NFPP軟包電池0.1C可提供1.06 Ah的可逆容量，初始庫倫效率為87.5%（圖4a）。在?20°C下，使用MF132電解質(zhì)的軟包電池的放電電壓平臺為2.51 V，容量保留為0.94 Ah圖4b）。此外，在4C的高電流密度下，該軟包電池的容量為0.56 Ah，顯示出良好的倍率性能(圖4c)。在室溫下使用MF132電解質(zhì)循環(huán)的軟包電池在2000次循環(huán)后平均庫倫效率超過99.9%，容量保留率為84.5%（圖4e）。即使充滿電的軟包電池在火焰下也能保持穩(wěn)定的電壓輸出(圖4d)，表明使用不可燃的磷酸鹽電解質(zhì)的軟包電池很安全。

圖5. 陰離子-陽離子相互作用調(diào)制策略的普遍性。

為了驗證陰離子?陽離子相互作用調(diào)制策略的普遍性，作者采用了其他阻燃的磷酸鹽溶劑，如磷酸三乙酯（TEP）和磷酸三丙酯（TPP）制備低濃度電解質(zhì)。HC陽極與EF150及PF150電解液完全不兼容。然而，在加入TFEP共溶劑后，可以實現(xiàn)可逆的Na⁺插入/去插入到HC陽極中。使用EF132和PF132電解質(zhì)的Na/HC半電池的初始庫倫效率分別為80.5和79.8%。在長期循環(huán)試驗中，含有EF132和PF132電解質(zhì)的HC電極的平均庫倫效率分別為99.3和99.1%，容量保持率分別為99.0和81.9%(圖5c，d)。

文獻信息

Hui Chen, Kean Chen, Jingyu Yang, Biaolan Liu, Laibing Luo, Hui Li, Long Chen, Along Zhao, Xinmiao Liang, Jiwen Feng, Yongjin Fang, and Yuliang Cao. Designing Advanced Electrolytes for High-Safety and Long-Lifetime Sodium-Ion Batteries via Anion?Cation Interaction Modulation. J. Am. Chem. Soc. 2024.

https://doi.org/10.1021/jacs.4c01395

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