储能电池研究最新集锦20180312

储能科技2021-02-21 11:12:48

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一、Science Advances:可持续醌电极的高容量水系锌二次电池

近日,陈军院士团队在Science Advances上发表题为“High-capacity aqueous zinc batteries using sustainable quinone electrodes”的研究论文,首次系统研究了醌类电极在水系锌电池中的应用。其中,研究人员发现杯[4]醌(C4Q)正极与阳离子选择性膜结合,在20 mA g−1电流密度下比容量高达335 mA h g−1,能量效率达到93%。在500 mA g−1电流密度下循环1000次,容量保持率达87%。同时,软包锌-C4Q电池基于C4Q正极和理论锌负极的质量计算,能够提供220 Wh kg−1的能量密度。研究人员还将实验研究与理论计算结合,开发了一种静电势计算方法来证明羰基是电化学的活性中心。同时,结合原位红外光谱、拉曼光谱和紫外可见光谱,研究了活性物质在放电和充电过程中的结构演化和溶解行为。阐明了可逆电化学反应的作用机制。文章表明在水电解质中,使用醌类正极和金属负极的电池是一种有前景的大规模能量储存选择。

图1. 水系ZBs中的醌电极

(A) C4Q制备示意图;

(B) 在水系ZBs中选定的醌化合物(1,2-NQ, 1,4-NQ, 9,10-PQ, 9,10-AQ, and C4Q)的放电/充电电压和比容量关系;

(C) Zn-C4Q 电池在20 mA g−1电流密度下的恒电流充放电曲线;

(D) Zn-C4Q电池在0.05, 0.10, 0.20, 0.30, 0.40, 0.50mVs−1扫速下的CV曲线;插图为相应的峰电流和扫速平方根的线性拟合;


图2.醌电极的活性位点和结构推导

(A) 1,2-NQ, (B) 1,4-NQ, (C) 9,10-AQ, (D) 9,10-PQ, (E) C4Q分子范德华表面的静电势分布;

(F) C4Q与锌离子反应前后的优化结构;


二、Adv. Funct. Mater.:新型石墨烯基开孔微球网络,实现超疏水与超亲水性的超快可逆转化

近日,哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所赫晓东教授,王荣国教授团队通过皮克林乳液技术和蒸汽溢出的简单方法研制出了一种超疏水的石墨烯基材料。该材料具有微纳分级网络结构,其表面通过等离子处理1 s后便能从超疏水状态转化为超亲水状态,显著缩短了转化时间(文献可见报道最短转化时间为25 s)。这种具有超亲水性的OCGN在水下表现出超疏油性,并且其对水下油滴的黏附性可控,利用此种特性可完成水下微油滴的定向运输。同时,该材料还具备通电发热的特性,仅在施加低电压的条件下,就能在短时间内达到高温状态。结合电热特性,该团队首次利用焦耳热在最短1 min时间内实现了OCGN表面超疏水性的超快恢复。这种具有超快可逆转化的超浸润材料在构建智能超浸润表面领域具有广阔的应用前景。相关研究成果以“Ultrafast, Reversible Transition of Superwettability of Graphene Network and Controllable Underwater Oil Adhesion for Oil Microdroplet Transportation”为题发表在Advanced Functional Materials 期刊上。博士生丁国民为第一作者,指导老师为王荣国教授和矫维成教授,并为共同通讯作者,哈尔滨工业大学为该论文唯一署名单位。


图1 石墨烯基开孔微球网络结构(OCGN)的物理结构



a)原始OCGN的SEM图像和疏水角;

b)空气等离子体处理10 s 后OCGN的SEM图像和疏水角;

c)通过焦耳热恢复后OCGN的SEM图像和疏水角;

d)OCGN开孔微球网络结构的形成机理;

e)通过焦耳热恢复后OCGN的放大SEM图像。


三、Energ. Environ. Sci:锂离子电池中的异常自放电

近日,韩国首尔大学的Kisuk Kang(通讯作者)报道了锂电子电池的自放电会通过电池的短期热暴露明显地加速。即使当电池短时间地暴露在暴露于中等温度下(60℃或80℃),会产生“历史”效应,该热“历史”会记忆在电池中,在室内温度下也会加速电池的自放电反应。在短期热暴露过程中,阴极表面与电解质的氧化反应被损坏,产生富含锂的薄层。此外,这种变化通过冷却是不可恢复的。更重要的是,在表面形成的富锂的薄层,通过向阴极供应锂不断引起电池的自放电。相关研究成果以“Abnormal self-discharge in lithium-ion batteries”为题发表在Energ. Environ. Sci上。

【图文导读】




图一 LiCoO2的自放电电化学表征图


(a)LixCoO2在60℃加热前后的电压分布比较

(b)在25℃下测量的充入SOC 20的LixCoO2阴极的代表电压衰减曲线

(c)Li xCoO 2电极在SOC 0处的自发放电(电压衰减至3.3V)的XRD图

(d)在不同热历史下,从25个以上充电到SOC 20的样品收集到的25℃时完成自放电的时间(当Li / LiCoO2半电池的电位接近3.3V时)的统计


四、Adv. Mater.:仿生界面设计提高石墨烯基纤维的强度和电导率

近日,合肥微尺度物质科学国家研究中心俞书宏教授和合肥工业大学从怀萍研究员(共同通讯作者)研究小组受珍珠层结构设计启发,通过引入聚多巴胺衍生N-掺杂碳物种作为阻力增强剂、粘合剂和导电连接“桥”,提高了石墨烯基纤维的机械性能和电导率。所获石墨烯基纤维的拉伸强度、电导率,提高到了724 MPa和 6.6 × 104 S m−1。该研究成果以“A Bioinspired Interface Design for Improving the Strength and Electrical Conductivity of Graphene-Based Fibers”为题发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】





图1. RGO@C纤维的制备


(a) RGO@C纤维制备过程示意图;

(b-d) 覆盖面上GO@PDA单元的AFM图和纳米微凸的相应尺寸;

(e, f) RGO@PDA纤维的表面形貌,e中插图是RGO@PDA纤维的实物图;

(g) 50% RGO@PDA纤维截面的SEM图。


图2. 不同条件下制备GBFs的应力-应变曲线


(a) 在不同DA含量下,GBFs的应力-应变曲线;

(b) 在不同初始掺杂浓度下,GBFs的应力-应变曲线;

(c) 在不同水热温度下,GBFs的应力-应变曲线;

(d) 在不同退火温度下,GBFs的应力-应变曲线。


五、Nano Energy : 等级CdS/m-TiO2/G三元光催化剂及其高活性、高稳定性可见光诱导制氢

近日,武汉理工大学苏宝连教授、阳晓宇教授(共同通讯作者)等利用三电子层静电组装方法制备了等级CdS/m-TiO2/G三元复合光催化剂,其具有较高的光催化活性以及优异的光催化稳定性,并在Nano Energy上发表了题为“Hierarchical CdS/m-TiO2/G Ternary Photocatalyst for Highly Active Visible Light-induced Hydrogen Production from Water Splitting with High Stability”的研究论文。上述三元光催化剂的活性是CdS量子点活性的两倍多,在80 h 光照15次循环后仍能保持初始活性的82%。作者从轨道杂化、结合能、原子应力扭曲以及纳米界面融合角度研究了光催化剂的三元纳米异质结效应,并在原子/纳米尺度提出了三元体系内光生载流子的多重传递机制。上述工作为抑制CdS光腐蚀现象提供了一种前景良好的方法,更重要的是,也为设计异质结结构的三元纳米催化剂提供了新的见解。


【图文简介】





图1 CdS/m-TiO2/G制备过程示意图



负-正-负三电子层静电组装合成CdS/m-TiO2/G过程示意图。


图2 催化剂的形貌和高分辨结构分析


a) CdS/m-TiO2/G的SEM图像;

b) CdS、m-TiO2和CdS/m-TiO2/G的XRD图谱;

c) CdS/m-TiO2/G的HRTEM图像;

d-g) CdS/m-TiO2/G的HAADF-STEM图像和EDS元素分布;

h) 锐钛矿TiO2、立方相CdS、无定型TiO2和晶体融合区域在三元结构中的HRTEM图像,以四种颜色区分不同的相;

i) 区域I的逆FFT图像,显示出TiO2和CdS之间的晶体融合区域;

j) 区域II的逆FFT图像,显示出CdS和无定型TiO2之间的融合过渡区域。


六、Adv. Mater. : 高活高效非晶态铜纳米颗粒及其电催化还原CO2制液体燃料


近日,吉林大学鄢俊敏教授(通讯作者)等首次提出了一种简单而非常有效的方案来合成非晶铜纳米颗粒(a-Cu),该非晶态铜纳米颗粒具有优越的电化学还原CO2制液体燃料性能,并在Adv. Mater.上发表了题为“Amorphizing of Cu Nanoparticles toward Highly Efficient and Robust Electrocatalyst for CO2 Reduction to Liquid Fuels with High Faradaic Efficiencies”的研究论文。上述非晶态铜纳米颗粒实现了高催化活性和选择性,液体燃料总的法拉第效率在-1.4 V时最大可达到59%,甲酸(HCOOH)和乙醇(C2H6O)分别达到37%和22%,稳定12 h以上。更重要的是,这项工作为提升基于非晶态金属催化剂的电还原CO2性能开辟了新的途径。

【图文简介】




图1 铜纳米颗粒的制备和结构


a) a-Cu和c-Cu的制备示意图;

b) a-Cu和c-Cu的XRD图谱;

c) a-Cu和c-Cu的Cu 2p XPS谱图。


图2 铜纳米颗粒的形貌表征


a,b) a-Cu和c-Cu的TEM图像,内插为各自的HRTEM图像;

c,d) a-Cu和c-Cu的尺寸分布;

e,f) a-Cu和c-Cu的SAED图谱



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