97人妻一区二区精品免费,好男人社区www在线官网,办公室娇喘的短裙老师在线视频,亚州精品久久久久久久久

咨詢電話:021-58952328
河北大學&河北農業大學ESM:表面電子離子雙傳輸通道實現超長壽命準固態鋅離子電池2024-12-01
▲第一作者:王登科
共同通訊作者:朱前程、張文明、趙丹陽
通訊單位:河北大學、河北農業大學
論文DOI:10.1016/j.ensm.2024.103903(點擊文末「閱讀原文」,直達鏈接)
??
全文速覽
為解決凝膠電解質動力學差,極化現象嚴重,難以實現快速充放電的實際應用需求等問題,本文在海藻酸鈉電解質表面構建電子-離子雙傳輸通道(EIDC)。得益于表面雙傳輸通道和中間體海藻酸鈉凝膠的協同作用,超長壽命準固態鋅離子電池得以實現。
??
背景介紹
鋅離子電池(ZIBs)以其低廉的價格、良好的安全性和較高的理論容量成為下一代儲能系統中最具競爭力的候選者。但由于活性水的存在,鋅陽極在液體電解質中容易發生枝晶生長和一系列不良副反應,導致可逆性較差。近年來,水凝膠電解質已成為延長鋅離子電池壽命的有效方法。水凝膠電解質能重塑鋅離子溶劑化結構而在一定程度上抑制析氫反應的發生和鋅枝晶的形成。盡管如此,但是凝膠電解質的離子傳輸動力學相對于水性電解液來說有明顯的差距,這會導致嚴重的極化現象,并且無法滿足快速充放電的實際應用需求。此外,電解質和鋅金屬界面處無序的鋅離子遷移往往會造成不均勻的鋅沉積,導致鋅枝晶的形成,而以往研究很少關注凝膠電解質的界面鋅沉積/剝離行為和動力學過程。截至目前,實現高電流密度和超長壽命的準固態ZIBs,并將其用于實際器件應用仍然是一個巨大的挑戰。因此,深入研究準固態凝膠電解質中鋅負極的界面行為和改善鋅沉積/剝離動力學過程對于實現超長壽命的ZIBs十分有意義。
??
本文亮點
要點一:電子-離子雙通道界面與海藻酸鈉復合凝膠電解質的設計
通過簡單的涂覆方法將聚合物PEDOT:PSS復合在海藻酸鈉電解質(SA)上,從而構建SA凝膠電解質/鋅金屬界面的電子-離子雙傳輸通道層。研究發現兩個層之間有化學鍵的聯系,并且復合電解質具有良好的機械性能。
?
要點二:電子-離子雙通道改善鋅金屬穩定性和促進鋅沉積/剝離動力學機制
界面采用聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)構建電子-離子雙傳輸通道。具體來說,PEDOT鏈將通過共軛π-π鍵提供電子轉移通道,并促進Zn電鍍/剝離過程中的快速電荷交換。線性PSS聚合物鏈可以通過-SO3?-基團與Zn2+離子之間的靜電相互作用提供均勻的離子傳輸通道,加速Zn2+離子的遷移。兩個通道的協同作用既可以促進鋅離子在界面的均勻遷移和沉積,抑制鋅枝晶;又可以加速鋅離子的快速的沉積/剝離,從而避免界面極化和提升電池高電流耐受性。
?
要點三:高沉積/剝離電流密度和長壽命鋅陽極及全電池的實現
各個表征表明鋅枝晶和副產物得到明顯抑制,鋅//鋅對稱電池實現了1 mA cm-2和1 mAh cm-2下6750 h(>9個月)的超長壽命和50 mA cm-2的超高電流承受能力。在10 mA cm?2的高電流密度下,可實現超穩定的鍍/剝離鋅,累計容量為20.5 Ah cm?2;在高鋅利用率為60%的情況下,循環壽命可達520 h。以二氧化錳為陰極的全電池在1 A g?1下的4000次循環中也表現出優異的循環穩定性。
??
圖文解析
1圖1:鋅陽極在(a) SA凝膠電解質和(b) SA /EIDC凝膠電解質中的示意圖。(c) SA/EIDC凝膠電解質薄膜光學圖像。(d) SA/EIDC凝膠凍干后的SEM 圖像。(e)橫斷面掃描電鏡和相應的元素分布圖。(f) SA凝膠膜和SA/EIDC凝膠膜的拉伸應力-應變曲線。(g) SA凝膠和SA/EIDC凝膠的DTG曲線。(h) SA凝膠和SA/EIDC 凝膠的FTIR光譜。
團隊合成了SA/EIDC凝膠電解質,通過SEM證明了其多孔結構。通過應力測試、DTG測試充分證明其在力學上的優異性能以及EIDC聚合物層與凝膠層之間的相互作用。此外,傅里葉紅外表征進一步證明PEDOT:PSS和SA 鏈之間的強相互作用。在1313 cm-1處出現了一個與- SO3?基團相關的新峰,這是PEDOT:PSS存在的確鑿證據。
2圖2 :(a) LE和SA凝膠電解質的FTIR擬合光譜。(b) LE和SA凝膠電解質的拉曼光譜。(c) LE和(d) SA凝膠電解質的MD模擬三維快照。(e) Zn2+?-H2O在LE中的 RDF及其相應的吸附構型。(f) Zn2+?– H2O和Zn-COO?–在SA凝膠電解質中的RDF及其相應的吸附構型。(g) LE和SA凝膠中Zn2+初級溶劑化殼層的靜電電位映射。(h)重塑溶劑化結構 [Zn(COO)(H2O)4]?+的電荷密度差和(i)相應的電荷密度差的切片映射。
團隊通過紅外、拉曼表征,與 LE相比,SA凝膠電解質中自由水明顯減少,并且呈現呈現出溶劑分離離子對(SSIPs)到接觸離子對(CIPs)的轉化,MD模擬結果表面SA凝膠電解質中的聚合物鏈對Zn2+離子的溶劑化結構進行了重塑。重塑的溶劑化結構有利于水合Zn2+離子的解離,從而抑制水分解和副反應。一系列的實驗和理論模擬共同證實了SA凝膠電解質可以重塑Zn2+離子的溶劑化結構。
3圖3 :(a) PEDOT鏈和PSS鏈的ESP分布。(b) Zn2+離子沿SA分子鏈的遷移途徑。(c) Zn2+離子沿PSS和PEDOT分子鏈的遷移路徑。(d) SA凝膠層和EIDC聚合物層遷移能壘的比較。(e) SA/EIDC凝膠中ZnSO4的原位拉曼光譜。(f) Zn 沉積前和(g)沉積后拉曼圖。(h) SA凝膠電解質和(i) SA/EIDC凝膠電解質對Zn/ /Zn對稱電池的DRT分析。(j) SA凝膠層和FIDC聚合物層的電導率。(k)離子電導率與Zn2+轉移數的比較。
團隊進行了一系列的實驗和模擬,證明電子-離子雙傳輸層對Zn2+離子遷移動力學和電鍍化學的影響。PEDOT鏈具有均勻的共軛電荷分布,這是由PEDOT鏈內共軛π-π鍵引起的。這一特性使PEDOT鏈能夠作為有效的電子轉移通道,促進Zn 電鍍/剝離過程中的快速電荷交換。而線性PSS聚合物鏈則提供了一個離子傳輸通道,利用- SO3?基團與Zn2+離子之間的靜電相互作用來加速Zn2+離子的遷移。遷移能壘計算、原位拉曼以及拉曼mapping, DRT分析、離子電導和遷移數對比均有力證明了EIDC層能明顯提升鋅離子動力學。
4圖4:(a)塔菲爾曲線。(b) CA測試。(c) Zn// Cu不對稱電池的CV曲線。(d) 不同電解質的庫侖效率性能(e)對應的初始電壓容量圖。(f)倍率性能。(g)不同電解質的活化能。(h) 1 mA cm-2, 1 mAh cm-2和(i) 10 mA cm-2, 1 mAh cm-2時的恒流循環性能。(j) SA/EIDC凝膠對稱電池的電流密度和累積容量與最近報道的文獻的比較。
通過電化學測試評估了鋅沉積/剝離行為的穩定性。對稱電池的恒流和倍率測試表明,SA/EIDC凝膠調控策略具有更加優異的循環穩定性。特別在循環穩定性方面,顯著的優于之前已經報道過的凝膠電解質。
5圖5:(a) LE(b) SA凝膠和(c) SA/EIDC凝膠在1 mA cm-2, 1 mAh cm-2下循環50次后的Zn陽極的SEM圖像。使用(d) LE (e) SA凝膠和(f) SA/EIDC凝膠在1 mA cm-2, 1 mAh cm-2下對Zn陽極的AFM圖像。(g) 不同電解質的原位枝晶觀察。(h) 50次循環后不同電解質鋅陽極的XRD譜圖。(i)鋅陽極50次循環后的拉曼光譜和(j- l)對應的拉曼mapping。

采用SEM、AFM、XRD、拉曼等表征方法研究了50次循環后鋅在不同電解質中的沉積行為和副反應。在LE和SA凝膠電解質中循環的Zn電極顯示出不均勻的表面,表明Zn沉積不均勻,而使用SA/EIDC凝膠電解質的Zn陽極具有平坦而致密的表面,證明了SA/EIDC凝膠電解質在調節鋅沉積方面的卓越性能,確保了鋅陽極的穩定和無枝晶。

6?圖6:(a)使用不同電解質(EIDC聚合物層僅存在于Zn陽極一側或同時存在于Zn陽極和MnO2陰極側)的電池的GITT測試和相應的DZn值。(b)使用SA凝膠電解質和SA/EIDC凝膠電解質的Zn// MnO2電池的DRT結果。(c) SA凝膠電解質和SA/EIDC凝膠電解質的倍率性能。(d)全電池與SA凝膠電解質和SA/EIDC凝膠電解質在1 A g-1下的長循環性能。(e) 對應的恒流充放電曲線。(f) 不同彎曲角度下的容量變化。(g)器件演示。
在全電池的循環過程中,SA/EIDC凝膠電解質也同樣實現了超穩定的循環。在倍率和CE方面,性能也有顯著優勢。在器件演示上,無論是在彎曲、折疊,還是被剪開的條件下,都能夠正常輸出電壓。這為先進電解質系統的設計開辟了道路,這些系統能夠推動儲能技術的發展。
??
總結與展望
本工作展示了一種具有電子-離子雙傳輸通道的新型水凝膠電解質,以調節Zn2+的遷移,實現快速Zn沉積/剝離。在SA凝膠內部,聚合物鏈有效地削弱了Zn2+與H2O分子之間的相互作用,從而重塑了Zn2+離子的溶劑化結構。此外,在EIDC聚合物層中,- SO3?基團通過靜電相互作用為Zn2+離子建立了均勻高效的傳輸通道。通過PEDOT鏈內的共軛π-π鍵形成電子傳輸通道,提高了鋅沉積/剝離過程中的電荷交換速率。同時,位于SA凝膠和正極之間的EIDC聚合物層也促進了Zn2+的遷移,提高了Zn2+氧化還原反應動力學,增強了界面的穩定性。這項創新工作不僅展示了高性能、穩定的水性ZIBs的發展前景,而且為先進凝膠電解質的設計開辟了道路,這些系統能夠推動儲能技術的發展。
??
作者介紹
朱前程博士,1993年生,男,河北大學物理科學與技術學院,校聘教授,碩士生導師,河北省青年拔尖人才。華中師范大學和美國休斯敦大學聯合培養博士(導師:Zhifeng Ren,余穎),2021年8月以“高層次人才”引進至河北大學物理科學與技術學院從事教學與科研工作。主要從事水系鋅離子電池、超級電容器、光充電電池、有機系鉀離子電池等儲能方面的研究,以第一作者或通訊作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Science Bulletin和Energy Storage Materials等期刊發表SCI論文30多篇。主持國家自然科學青年基金、河北省自然科學基金和河北省留學人員資助等項目。獲得湖北省自然科學一等獎1項(參與完成),eScience等期刊青年編委。
張文明教授,河北省杰青,河北省青年拔尖人才,河北大學優秀坤輿學者,海南大學材化學院客座教授,主要從事先進材料與能源器件研究。主持參與3項國家基金,主持省部級項目10余項。在ESM、Small、 JMCA、CEJ等JCR一區及二區雜志發表論100余篇,獲得多項授權發明專利,主編國家級教材1部,參編國家級教材3部。先后承擔《普通物理》、《信號檢測與數據處理》、《電路分析》、《文獻檢索與科技論文寫作》、《創業基礎》等本科生和研究生課程。指導大學生競賽獲得10余個國家級和省級獎勵,本人獲得“省級優秀指導教師”稱號,2021年獲河北省自然發明三等獎。
趙丹陽博士,2023年畢業于華中師范大學物理學院,入職河北農業大學校聘副教授。近年來在水系鋅離子電池材料制備及儲能機理揭示方面做了相應的研究,取得了一些成果,在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Chemical Engineering Journal、Energy & Environmental Materials等期刊雜志共發表SCI論文10多篇。
主站蜘蛛池模板: 吕梁市| 都安| 岱山县| 贵州省| 丁青县| 泉州市| 宁明县| 永昌县| 黄骅市| 安国市| 泽州县| 普兰店市| 枞阳县| 临沂市| 鄱阳县| 上蔡县| 信阳市| 崇仁县| 无锡市| 伊金霍洛旗| 鄱阳县| 娄烦县| 新营市| 岑巩县| 广安市| 许昌市| 庆安县| 内丘县| 嘉黎县| 英山县| 涟水县| 聂拉木县| 九龙坡区| 枣强县| 岗巴县| 信宜市| 抚松县| 克拉玛依市| 龙陵县| 泰来县| 江口县|