做爰高潮A片〈毛片〉-午夜天堂一区人妻-亚洲精品av中文字幕在线-午夜理论欧美理论片-宅男宅女精品国产av天堂

Wadsley-Roth相鈮基氧化物負(fù)極材料助力高功率和高能量密度水系鋰離子電池

來(lái)源：原創(chuàng) | 2022年08月05日

一、研究背景：

水系電池因?yàn)槠浔举|(zhì)的安全性而受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，隨著水系高濃鹽電解液的發(fā)展，水系電解液的電化學(xué)窗口不斷拓寬。然而，受限于目前可應(yīng)用于水系鋰離子電池負(fù)極材料的高工作電位和低可逆容量（例如:LiTi2(PO4)3,Mo6S8,TiO2和Li4Ti5O12等），導(dǎo)致水系鋰電的能量密度的進(jìn)一步提升非常困難，從而嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化進(jìn)程。因此，亟需開(kāi)發(fā)工作電位能夠適應(yīng)目前水系電解液電化學(xué)窗口，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具有更高可逆容量的負(fù)極材料。

二、文章簡(jiǎn)介

基于此，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院物理研究所的索鎏敏研究員等在國(guó)際知名期刊ACSMaterials Letters上發(fā)表了題為“Wadsley-RothPhase Niobium-based Oxides Anode Promising High Power and EnergyDensity Aqueous Li-ionBatteries”的研究文章，改文章報(bào)道了一類具有Wadsley-Roth相結(jié)構(gòu)的鈮基氧化物負(fù)極材料，利用其在水中不易溶解、晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、工作電位適于目前水系電解液窗口以及在水系電解液電化學(xué)窗口內(nèi)具有更高可逆比容量的特點(diǎn)，選取了一種代表性的具有3×4×∞剪切Wadsley-Roth相結(jié)構(gòu)的Zn₂Nb₃₄O₈₇負(fù)極與不同正極組裝成全電池驗(yàn)證其在不同水系電解液中的電化學(xué)性能，其中在WiBS電極液中LiMn₂O₄//Zn₂Nb₃₄O_87，LiNi_0.5Mn_1.5O₄//Zn₂Nb₃₄O₈₇，和NCM811//Zn₂Nb₃₄O₈₇水系全電池分別表現(xiàn)出了2.40V, 3.10 V和2.25V的高電壓，同時(shí)分別表現(xiàn)出了160.8,181.1和191.5Wh/kg的高能量密度（基于正負(fù)極活性材料計(jì)算），均高于目前已報(bào)道的可穩(wěn)定工作的水系鋰離子電池的能量密度。此外，作者根據(jù)Wadsley-Roth結(jié)構(gòu)空曠適合鋰離子快速嵌入/脫出以及嵌鋰電位為斜坡式的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)正負(fù)極材料的N/P控制負(fù)極的嵌鋰量，實(shí)現(xiàn)了LiMn₂O₄//Zn₂Nb₃₄O₈₇水系全電池在經(jīng)典的21mLiTFSIWiS電解液中穩(wěn)定工作，擺脫了超高濃鹽電解液的高粘度和低離子電導(dǎo)率的限制后，使得Zn₂Nb₃₄O₈₇的高離子輸運(yùn)和高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的特點(diǎn)充分地發(fā)揮，在100C的高倍率電流充放電條件下，實(shí)現(xiàn)了16489W/kg的高功率密度以及在此高功率工作時(shí)30Wh/kg的能量密度輸出。本工作有效的填補(bǔ)傳統(tǒng)能量型鋰離子電池和功率型超級(jí)電容器之間的空白，為高功率和高能量水系鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的思路。

三、文章主要內(nèi)容

考慮到水系電池的大規(guī)模儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景，電極材料的可大規(guī)模簡(jiǎn)單的合成是在開(kāi)發(fā)電極材料時(shí)必須考慮的因素之一。鑒于此，作者采用了簡(jiǎn)單的固相燒結(jié)法制備了具有高結(jié)晶性的Zn₂Nb₃₄O₈₇材料，在未加任何修飾的情況下，研究其在水系電解液中的電化學(xué)性能。

【圖1.Zn₂Nb₃₄O₈₇材料的晶體結(jié)構(gòu)與在水系電解液中初步電化學(xué)性能驗(yàn)證。】

如圖1所示，XRD精修結(jié)果表明表明所制備的Zn₂Nb₃₄O₈₇材料為3×4×∞正交剪切Wadsley-Roth結(jié)構(gòu)，具有良好的結(jié)晶性，結(jié)構(gòu)單元是3×4的[Zn/Nb]O6或NbO6八面體結(jié)構(gòu)。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以A-B-A形式堆垛成層狀結(jié)構(gòu)，形成了開(kāi)放寬大的間隙空間和3維隧道型離子擴(kuò)散通道，這使得鋰離子能夠在其晶格內(nèi)部實(shí)現(xiàn)快速的輸運(yùn)，從而使Zn₂Nb₃₄O₈₇材料具有極好的倍率性能。此外，Nb⁵⁺/Nb⁴⁺的氧化還原電位在1.4~1.8V之間，符合目前水系電解液的電壓窗口，而且在此范圍內(nèi)，Zn₂Nb₃₄O₈₇材料理論上可以釋放出>200mAh/g的可逆比容量。實(shí)際上，在80mWiBS電解液中，可以釋放出180mAh/g的可逆比容量。穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)、開(kāi)放的鋰離子傳輸通道、較高的可逆比容量以及簡(jiǎn)單的合成方法，使得Wadsley-Roth相結(jié)構(gòu)鈮基氧化物材料可以滿足大規(guī)模儲(chǔ)能的基本要求。

【圖2.基于Zn₂Nb₃₄O₈₇材料為負(fù)極的高能量密度水系鋰離子全電池的設(shè)計(jì)】

通過(guò)理論估算分析，在目前的水系ID按揭業(yè)體系下，采用Zn₂Nb₃₄O₈₇材料為負(fù)極與多種正極匹配，相比傳統(tǒng)負(fù)極均能輸出更高的能量密度。實(shí)際電池亦是如此，如圖2所示，以LiMn₂O₄//Zn₂Nb₃₄O₈₄、LiNi_0.5Mn_1.5O₄//Zn₂Nb₃₄O₈₇和NCM811//Zn₂Nb₃₄O₈₇全電池分別表現(xiàn)出了160.8、181.1和191.5Wh/kg的高能量密度，均優(yōu)于目前已報(bào)道水平。

【圖3.LiMn₂O₄//Zn₂Nb₃₄O₈₄和NCM811//Zn₂Nb₃₄O₈₇全電池性能。】

如圖3所示，由于Zn₂Nb₃₄O₈₇材料的嵌鋰電位斜坡式的特點(diǎn)，控制不同的截止電壓就可控制Zn₂Nb₃₄O₈₇不同的嵌鋰量，以LiMn₂O₄//Zn₂Nb₃₄O₈₄全電池為代表的，通過(guò)優(yōu)化充放電截止電壓，控制鋰離子嵌入負(fù)極的量，在保證全電池穩(wěn)定工作的前提下，最大效率的利用水系電解液的電化學(xué)穩(wěn)定窗口。基于此，LiMn₂O₄//Zn₂Nb₃₄O₈₄和NCM811//Zn₂Nb₃₄O₈₇全電池均表現(xiàn)出了較為出色的循環(huán)穩(wěn)定性。

【圖4.Zn₂Nb₃₄O₈₇負(fù)極在水系電解液中的嵌鋰機(jī)制和界面化學(xué)分析。】

為了探究Zn₂Nb₃₄O₈₇負(fù)極在水系電解液中的嵌鋰機(jī)制和穩(wěn)定性機(jī)理，作者對(duì)其進(jìn)行了晶體結(jié)構(gòu)演變研究和界面化學(xué)分析。如圖4所示，原位XRD和循環(huán)500圈之后的XRD測(cè)試結(jié)果表明，Zn₂Nb₃₄O₈₇在水系電解液中仍保持著極為穩(wěn)定的循環(huán)穩(wěn)定性，說(shuō)明其是對(duì)水穩(wěn)定的嵌入型負(fù)極材料。HRTEM和XPS結(jié)果說(shuō)明界面形成了3~9nm的LiFSEI膜，這是由TFSI-離子的還原形成的，這可以更進(jìn)一步的抑制負(fù)極析氫反應(yīng)的發(fā)生。

【圖5.LiMn₂O₄//Zn₂Nb₃₄O₈₇全電池在WiS電解質(zhì)中的高功率性能。】

由于水系超高濃鹽電解質(zhì)或者水/有機(jī)溶劑混合電解質(zhì)的高粘度和低離子電導(dǎo)率，導(dǎo)致了目前的高電壓高能量密度水系離子電池均極少關(guān)注高功率性能。即便常用的Li4Ti5O12負(fù)極也是一種高倍率的負(fù)極材料，由于其所有電壓平臺(tái)均低于1.55Vvs.Li⁺/Li，只有超高濃鹽才可有效的將析氫窗口拓寬至1.55V以下，才可保證Li4Ti5O12的順利運(yùn)行。如圖5所示，在本文中，作者利用鈮基氧化物斜坡式的嵌鋰曲線特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)控正負(fù)極N/P比，控制Zn₂Nb₃₄O₈₇負(fù)極材料的嵌鋰量，可控的利用析氫窗口以上的容量，又得益于Zn₂Nb₃₄O₈₇的高鋰離子輸運(yùn)能力和21mLiTFSI電解液的低粘度和高離子電導(dǎo)率，在16489W/kg的功率密度時(shí)釋放出30Wh/kg的能量密度。

【圖6.33mAh 水平的LiMn₂O₄//Zn₂Nb₃₄O₈₇軟包電池電化學(xué)性能。】

鑒于Zn₂Nb₃₄O₈₇是由簡(jiǎn)單的固相燒結(jié)法合成，有利于規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用。手工單層軟包電池仍表現(xiàn)出了出色的電化學(xué)性能，預(yù)示了Wadsley-Roth相結(jié)構(gòu)的鈮基氧化物材料的大規(guī)模應(yīng)用的潛力。

四、文章總結(jié)

本文針對(duì)目前水系鋰離子電池能量密度低的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了Wadsley-Roth相結(jié)構(gòu)的鈮基氧化物負(fù)極材料，并選取了代表性的具有3×4×∞剪切Wadsley-Roth相結(jié)構(gòu)的Zn₂Nb₃₄O₈₇負(fù)極與不同的正極材料進(jìn)行匹配進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。其中，能量型NCM811//Zn₂Nb₃₄O₈₇全電池表現(xiàn)出了2.25V的高輸出電壓和191.5Wh/kg的高能量密度；功率型LiMn₂O₄//Zn₂Nb₃₄O₈₇全電池2.4V的高輸出電壓和16489W/kg的高功力密度。Wadsley-Roth相結(jié)構(gòu)的鈮基氧化物負(fù)極材料優(yōu)異的綜合性能，為未來(lái)高功率和高能量水系電池的開(kāi)發(fā)提供了一種新的思路。

五、文章鏈接

原文題目：Wadsley-RothPhase Niobium-based Oxides Anode Promising High Power and EnergyDensity Aqueous Li-ion Batteries

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c00462

六、通訊作者簡(jiǎn)介

索鎏敏研究員

博士生導(dǎo)師

2013年于中國(guó)科學(xué)院物理研究所獲理學(xué)博士學(xué)位，曾先后在美國(guó)馬里蘭大學(xué)，美國(guó)麻省理工學(xué)院從事博士后研究工作，2017年加入中國(guó)科學(xué)院物理研究所。近年來(lái)發(fā)表SCI論文共計(jì)68 篇（IF >10, 55篇)，申請(qǐng)發(fā)表專利25 項(xiàng)。通訊/一作身份發(fā)表研究類論文40 余篇，包括Science、Nat.Energy/Nat. Chem.（2篇）、Nat.Commun./Sci. Adv./PNAS（3篇）、Adv.Mater/Angew/JACS(10 篇)、Matter、Adv.Energy. Mater./ACS Energy Lett./Energy Storage Mater. (9 篇)、ACSNano/Nano Lett. /ACS Mater. Lett. (5 篇)等。文章發(fā)表以來(lái)SCI 引用次數(shù)大于10000 次，其中 98%源于研究類論文貢獻(xiàn)，60%以上源于通訊/第一作者論文貢獻(xiàn)，引用次數(shù)：>1000次（2篇）、>100次（23篇），H因子42。

新型二次電池體系的基礎(chǔ)研究與開(kāi)發(fā)，具體涵蓋如下：

（1）面向下一代儲(chǔ)能和動(dòng)力電池的新型電解液體系探索開(kāi)發(fā)與基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究

（2）本質(zhì)安全的高電壓水系鋰離子/鈉離子儲(chǔ)能電池

（3）高能量密度金屬鋰基動(dòng)力電池（鋰-硫電池，無(wú)負(fù)極金屬鋰電池，全固態(tài)鋰電池）

（4）低成本可持續(xù)多價(jià)轉(zhuǎn)移電池體系（鋁離子電池，鎂離子電池）

主頁(yè)鏈接：http://edu.iphy.ac.cn/moreintro.php?id=1551