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复旦大学团队完成电化学储能技能新打破
发布时间:2019-09-24 17:48:05
要害词:动力电池锂电池

复旦大学团队完成电化学储能技能新打破


种种储能和转换技能中,可充电锂氧气电池以其优异的表面能量密度而惹起了广泛体恤,其表面能量密度是古板锂离子电池的近十倍,十分有期望运用于商业化的电化学储能配备,从而缓解能源危急和淘汰状况污染等题目。然而,锂气氛电池仍然面临许众的挑衅,包罗低于预期的比容量、相当高的过电势和缺乏轮回稳定性等。这也就意味着,引入具有合理构造的正极催化剂材料来增进锂气氛电池迟缓的电极动力学进程好坏常急切的。常用的高效催化剂有贵金属及合金、过渡金属氧化物、钙钛矿和金属氮化物、碳化物等。


此中,过渡金属氧化物具有资本低、易合成、储量丰厚以及催化活性上等优点,已被广泛用作锂氧气电池的正极材料。而氧化铈(CeO2)是一种由面心立方晶胞构成的方萤石构造,具有精良的构造稳定性和优异的催化活性。它的电子排布比较奇特,催化进程中,Ce3+和Ce4+之间容易互相转化,可以包管充放电反响的继续疾速爆发。另外,CeO2的构造中保管氧清闲缺陷,可以锂氧气电池放电反响中抵达氧气泵的效果,将其用作锂氧气电池催化剂从而完成其电化学功用的大幅晋升好坏常具有开展前景的。于是,应用超拼装合成计谋把精准掌握的氧化铈纳米晶体与众维众标准的框架构造相联合,可以完成智能化锂氧气电池的新打破。


【效果简介】


即日,复旦大学孔彪研讨员(通信作家)等Advanced Energy Materials(IF 24.884)期刊上线发外了题为“Interfacial Super-Assembled Porous CeO2/C Frameworks Featuring Efficient and Sensitive Decomposing Li2O2for Smart Li-O2Batteries”的作品。全文提出了关于锂氧气电池正极材料的智能化计划理念,首次应用超拼装的众孔CeO2/C框架材料用作正极催化剂,完成了Li2O2薄膜充放电进程中高效可逆地智能化吸赞同剖析,从而取得了锂氧气电池稳定的长轮回寿命和优异的倍率功用。此中,尺寸为5 nm尊驾的CeO2纳米立方体通过超拼装方法进入反卵白石构造碳框架材料,胜利地办理了CeO2的导电性差且催化氧还原反适时,容易发生过厚的Li2O2薄膜的题目(Nano Lett. 2016, 16, 2969-2974)。


另外,精准合成的超拼装CeO2纳米立方体,表露了其催化活性较高的(100)晶面,而且尺寸掌握5 nm尊驾,有利于完成CeO2材料的最佳催化功用。另外,对放电进程中Li2O2薄膜产生机理的探究中,借帮密度泛函表面盘算和非原位光电子能谱剖析发明,放电进程中,Li2O2薄膜变成于一种外面成核机制,分为三步:

1.游离氧的吸附

2.氧气联合一个Li+变成LiO2

3.LiO2再联合一个Li+变成Li2O2。


这种超拼装框架构造用于正极材料的计划理念和对放电产物的机理议论,可以对后续锂氧气电池的智能化计划有必定的启示。


【图文解读】


图一、超拼装CeO2/C框架材料合成进程

图1.超拼装的CeO2/C框架材料合成示企图


图二、超拼装CeO2/C框架材料的容貌外征

(a)反卵白石构造碳基体的SEM图像

(b)超拼装CeO2/C框架材料的TEM图像

(c)CeO2纳米立方体的TEM图像

(d)CeO2纳米立方体的HRTEM图像


图三、超拼装CeO2/C框架材料的锂氧气电池电化学功用测试

(a)电流为100 mA/g时,超拼装CeO2/C材料和IOC的比容量功用

(b)差别电流密度下的超拼装CeO2/C材料展现的倍率功用

(c)超拼装CeO2/C材料和碳基体的的CV弧线

(d)、(g) CeO2/C正极电流为100 mA/g,容量限制为600 mAh/g时测定的轮回功用

(f) 超拼装CeO2/C正极的电化学功用与文献的比照

(e)、(h)CeO2/C正极电流为100 mA/g,容量限制为1000 mAh/g时测定的轮回功用


图四、超拼装CeO2/C框架材料的电催化机理探究

(a)差别充放电形态下超拼装CeO2/C框架材料的XRD图谱

(b)放电之后超拼装CeO2/C框架材料的TEM图像

(c) 放电之后超拼装CeO2/C框架材料的选区电子衍射花招图像


图五、应用DFT模拟探究超拼装CeO2/C正极的放电道径

(a)CeO2(100)和Li2O2(100)外面的构造示企图

(b)变成Li2O2的三种差别途径的势能图

(c)盘算进程中涉及的CeO2(100)外面的Ce端及其相关吸附物的构造示企图


【总结】


综上所述,基于通信作家孔彪研讨员首次提出并命名的超拼装框架材料Super-Assembled Frameworks(SAFs)新看法(SAF-1, Nature Chemistry,2016, 8, 171),并联合前期开辟一系列超拼装框架材料研讨体验,本文作家开辟了SAFs锂氧气电池新能源范畴的运用,基于超拼装框架拼装机制立异性的计划了一种智能化可逆剖析放电产物Li2O2的锂氧气电池,充沛联合了CeO2的高催化活性和反卵白石构造碳基体的导电性和稳定性,取得了出色的电化学功用,这重假如因为CeO2纳米立方体中保管大宗的Ce3+,可以增进松散聚集的Li2O2薄膜的电化学吸赞同剖析。本课题为解释放电进程中Li2O2薄膜的发生供应了表面依据,为合理计划和开辟高功用的氧化铈材料用作锂氧气电池正极供应了新的研讨思道。


稿件根源: 消费日报网
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