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爆發！崔光磊團隊，半個月連發Nature Sustain/Nature Energy！！

固態鋰電池通常采用異質性復合正極，其中引入導電添加劑以改善混合傳導，但這些電化學不活躍的添加劑與體積變化較大的層狀氧化物正極并不完全兼容，從而大大降低了電池的能量密度和循環壽命。

成果簡介

在此，中國科學院青島生物能源與過程研究所崔光磊教授和鞠江偉副研究員等人提出了一種正極均勻化策略，即在整個充放電過程中冷壓一種具有高效混合傳導能力的零應變正極材料。其中，Li_1.75Ti₂(Ge_0.25P_0.75S_3.8Se_0.2)₃在充滿電時具有相當大的Li⁺/電子電導率（0.22/242 mS cm^-1），在完全放電時單調增加到0.66/412 mS cm^-1。同時，它提供了250 mAh g^-1的比容量，并經歷了1.2%的體積變化。由100% Li_1.75Ti₂(Ge_0.25P_0.75S_3.8Se_0.2)₃組成的均勻正極使室溫全固態鋰電池在2.5 C的倍率下循環壽命超過20000次，比容量保持率達70%，且在0.1 C下的電池級能量密度高達390 Wh kg^-1。更加重要的是，這種正極均勻化策略與傳統的正極異質設計形成鮮明對比，且有望提高全固態鋰電池在商業應用中的可行性。值得注意的是，這是第一個同時循環超過10000次且面積容量超過1.0 mAh cm^?2的ASLBs。

相關文章以“A cathode homogenization strategy for enabling long-cycle-life all-solid-state lithium batteries”為題發表在Nature Energy上。這也是崔光磊教授繼Nature Sustainability之后，時隔半個月再發Nature Energy?。?/span>）

圖文導讀

研究顯示，使用不易燃固太電解質的全固態鋰電池（ASLBs）可滿足對高度安全儲能系統不斷增長的需求，有望成為電動汽車和大規模儲能應用的主流途徑。然而，最先進的ASLB 通常采用正極活性材料，如LiCoO₂、LiNiO₂及其衍生物。此類層狀氧化物的載流子傳輸能力較差，盡管具有高能量密度，但其Li⁺電導率）和電子電導率（σ_e）較差。為了確保足夠的鋰嵌入/脫出動力學，需要一定量的導電添加劑，例如離子型固體電解質（20-40 wt%）和電子碳質材料（1-5 wt%），在異質復合正極中是不可或缺的，以建立高效的電荷載流子遷移途徑。值得注意的是，這些活性添加劑會明顯降低正極的能量密度和功率密度，從而影響高能量效益。此外，在異質正極中，Li⁺和電子沿著彼此迂回的傳導路徑傳輸（圖1a），從而增加了載流子遷移障礙，并使載流子傳輸動力學速度減慢10到100倍。更糟糕的是，不同步的Li⁺和電子傳輸嚴重限制了鋰的嵌入和脫出。

圖1：充電過程中正極微觀結構演變示意圖。

同質正極的材料設計

由于均質正極不含導電添加劑，正極材料的核心設計是在整個充放電過程中保持足夠的混合電子和離子的傳導。由于Li⁺的嵌入/脫出伴隨著電子的移動，因此σ_Li+和σ_e在充放電過程中不斷變化。同時，由于材料的σ_Li+是由能斯特-愛因斯坦方程（方程1）明確確定，因此最初從σ_Li+篩選材料比從σ_e篩選材料更可行。根據方程1，與材料相關的兩個參數影響σ_Li+，即σ_Li+與n_Li和D_Li+成正比。如果一種材料的晶格中不包含Li⁺，則很難獲得較高的初始σ_Li+。在這種情況下，不需要考慮D_Li+對σ_Li+的影響。因此，為了達到足夠的σ_Li+值，首先需要一種含鋰的材料：

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式中，D_Li+為Li⁺擴散系數；n_Li為Li⁺載流子濃度；q為Li⁺的電荷；k為玻爾茲曼常數，T為開爾文溫度。此外，當Li⁺在充電過程中遷移到負極時，類似于制備時放電態的LiCoO₂。因此，隨著充電狀態的增加，由于Li⁺的耗盡，初始σ_Li+可能顯著降低。在這種情況下，高初始σ_Li+不能在整個充放電過程中保持。因此，為了使電導率變化可控，正極材料應該是Li⁺受體，而不是供體。

考慮到上述標準，作者確定LiTi₂(PS₄)₃（LTPS）作為主要候選材料，其在2008年被首次報道為整極活性材料，更準確地作為Li⁺受體。為了提高LTPS的σ_Li+值，作者通過在P位點引入Ge來調整LTPS的晶體結構。其中，LTG_0.25PS的D_Li+為6.5×10^-8?cm^2?s^-1，LTPS為2.2×10^-8?ccm^2?s^-1。然而，當部分取代較低共價的Ge?S為P?S鍵時，σ_e降低了2.5倍至47 mS cm^?1，

這可以歸因于通過電子定位函數驗證的GeS₄^4?四面體內的離域電子數減少。此外，基于使用LTG_0.25PS添加或不添加導電添加劑的電化學性能比較，證明了增加σ_e對于LTG_0.25PS作為均勻正極是必要的。

圖2：Se調控LTG_0.25PS的結構、形貌和電導率。

在硫系過渡金屬材料中，如TiCh₂（Ch=O、S、Se，Te），由于陰離子能帶的增加，σ_e從O到Te不斷增加，最終與Ti的d態發生強相互作用。因此，TiO₂是絕緣體，TiS是半導體，TiSe₂是半金屬，TiTe₂是金屬。這種規律性激勵去調整LTGe_0.25PS的電子結構，以獲得一個較高的初始σ_e。在態密度（DOS）的指導下，本文提出了一種能帶定位策略，即通過Se部分取代S，定向LTGe_0.25PS的陰離子p帶，使填充的陰離子能帶與空陽離子（Ti⁴⁺）能帶之間的帶隙縮小。此外，從理論上和實驗上都驗證了該策略的可行性。根據DOS，在LTPS中引入Se成功地提高了陰離子p帶，使帶隙從1.292 eV減小到0.52 eV。結果顯示，電子結構分別為0.05、0.1、0.15和0.2 Se的LTGe_0.25PS的σ_e單調增加從75到113，174和225mS cm^-1，而由于Li⁺濃度恒定，σ_Li+幾乎保持不變（圖2b）。

圖3：Li⁺嵌入/脫出后LTG_0.25PSSe_0.2的結構和電導率演化。

LTG_0.25PSSe_0.2在全固態電池中的應用

由于LTG_0.25PSSe_0.2具有足夠的導電性，并且在高度可逆的Li⁺嵌入/脫出的工作電池中經歷最小的體積變化，推測LTG_0.25PSSe_0.2在ASLBs中作為均勻正極。如圖4a所示，采用LTG_0.25PSSe_0.2|Li₆PS₅Cl|Li-Si結構的ASLB具有完整的三層致密結構，可以通過Ti、Ge、P、S和Se在各自層中的一致分散來明確區分。作為均勻正極，LTG_0.25PSSe_0.2基ASLB展現出更高的放電容量和更大的容量保持率。更加重要的一點是，在電流密度2.5 mA cm^?2（2.5C）下能夠循環超過20000次，達到面積容量（1 mAh cm^?2），達到90.8%（2000次循環）、79.7%（5000次循環）、73.4%（10000次循環）和65.7%（20000次循環），在20000次循環達到118 mAh g^?1（圖4b）。值得注意的是，這是第一個ASLBs同時循環超過10000次和面積容量超過1.0 mAh cm^?2的例子（圖4c）。

圖4：LTG_0.25PSSe_0.2在固態電池中的電化學性能。

圖5：LTG_0.25PSSe_0.2的長循環穩定性和鋰化動力學研究。

結論展望

綜上所述，本文設計了一種具有具有足夠的鋰離子和電導率的正極材料用于全固態電池。因此不再需要導電添加劑，并構建了均勻的正極，使ASLBs具有較長的循環壽命和較高的能量/功率密度。從更廣泛的角度來看，除了ASLBs外，許多其他電池也使用不同的電極，如固態鈉電池、鋰離子電池、鋰硫電池、鈉離子電池和燃料電池。在這些系統中，機械化學和電化學不相容會造成瓶頸，降低器件性能。因此，本文提出的設計多功能均勻正極的策略可能具有更廣泛的適用性。

Longfei Cui, Shu Zhang, Jiangwei Ju, Tao Liu, Yue Zheng, Jiahao Xu, Yantao Wang, Jiedong Li, Jingwen Zhao, Jun Ma, Jinzhi Wang, Gaojie Xu, Ting-Shan Chan, Yu-Cheng Huang, Shu-Chih Haw, Jin-Ming Chen, Zhiwei Hu, Guanglei Cui,?A cathode homogenization strategy for enabling long-cycle-life all-solid-state lithium batteries,?Nature Energy,?

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