福彩快三玩法介绍:化学所高能量密度纳米固态

作者: 福彩快三玩法介绍科技  发布:2019-08-15

为了更好地理解锂金属的表面SEI膜化学及电化学反应机理,团队结合原位电化学-原子力显微镜,以双亚胺锂为研究对象,系统研究了锂盐浓度对SEI膜形貌及力学性能的影响,并发现通过盐浓度调控,可获得不同模量及厚度的SEI膜。此类现象在不同溶剂中皆有体现,具有普适性(J. Phys. Chem. C 2018, 122, 9825-9834)。

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为提高电池安全性并进一步解决液态电解液体系中的锂枝晶问题,研究人员设计并构筑了一类双功能互穿网络结构聚固体电解质,该固体电解质集高机械强度和高室温离子电导(0.22 mS cm−1)于一体,使锂的沉积/析出均衡进行。由于具有降低界面电阻和加速锂离子传输的双重作用,ipn-PEA电解质有效地抑制了锂枝晶生长,重塑了室温固态锂金属电池的可行性(J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15825)。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,化学所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室的研究人员,利用“纳米碳三维导电网络”进行理性电极材料结构设计,大幅提高了多种纳米结构正、负极材料的电化学性能,取得系列进展(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 2512; Energy. Environ. Sci., 2012, 5, 5221;Adv. Energy Mater., 2012, 2, 1086;Chem. Commun., 2012, 48, 2198;Chem. Commun., 2012, 48, 10663;J. Mater. Chem., 2012, 22, 17456;ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4, 2824;ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4, 4858;Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 2934)。并应美国化学会的Accounts of Chemical Research期刊邀请,撰写了题为“Nanocarbon Networks for Advanced Rechargeable Lithium Batteries”的综述文章,系统介绍了纳米碳三维导电网络结构电极材料在高性能锂离子电池及未来高比能金属锂二次电池(锂-硫电池和锂-空气电池等)中的应用和发展前景(Acc. Chem. Res., 2012, 45, 1759)。

以上工作获得宁波市自然科学基金(2018A610014)、浙江省自然科学基金青年项目(Q17E020023)、国家自然科学基金外籍青年研究人员项目(51650110490)、宁波市2025项目(2018B10060)以及国家重点研发计划(2018YFB0905400)的支持。

以上工作获得了中国博士后基金面上一等资助、中国博士后基金特别资助、宁波市自然科学基金、浙江省自然科学基金青年项目、国家自然科学基金外籍青年研究人员项目以及中科院战略性先导科技专项的支持。

为开发高能量密度的纳米固态金属锂电池,解决金属锂电池面临的循环性与安全性难题,在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的大力支持下,中科院化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室研究员郭玉国课题组在金属锂负极、固体电解质及固态电池研究方面取得系列进展。

该课题组研究人员长期致力于高效、稳定的高容量、高倍率锂离子电池电极材料研究(Adv.Mater., 2008, 20, 2878;Adv. Mater., 2008, 20, 1160;Adv. Mater., 2009, 21, 2710;Adv.Mater.,2010, 22, 4591; Adv. Mater.,2011, 23, 4415;Energy. Environ. Sci., 2011, 4, 1634)。通过系统研究,他们发现各种纳米碳结构单元(纳米碳颗粒、纳米碳管、石墨烯、纳米多孔碳等)形成的具有纳米通道的三维导电网络,不但可以有效分散活性电极材料纳米颗粒、防止其团聚,还可以高速输送锂离子和电子到每个活性纳米颗粒表面,从而真正发挥纳米结构电极材料的动力学优势,开发出兼具高容量和高倍率性能的锂离子电池电极材料。

针对锂金属界面不稳定的顽疾,中国科学院宁波材料技术与工程研究所新型储能材料与器件团队长期以来进行了大量的界面保护结构设计,已在前期取得显著进展(相关成果发布于J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 2427-2432,ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 26801-26808,J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 9339-9349,Nano Energy 2017, 39, 662–672)。在此基础上,团队基于锂金属负极的界面循环机理开展了更深入的基础及应用研究,并在近期取得一系列进展。

图1.用于锂金属负极保护的不同界面孔隙结构。

在金属锂电池用电解质的前期研究工作中,针对金属锂表面自发形成的SEI在循环过程中存在不可逆降解的问题,该课题组设计出一类醚类电解质加离子液体的混合电解质体系,改善了金属锂负极的沉积行为及循环稳定性(Adv. Sci.,2017, 4, 1600400);研究人员提出一种含Al胶体粒子的功能型电解质添加剂,通过在电解质中添加AlCl3成功地在金属锂表面原位形成一层均匀、稳定、密实的SEI膜,稳定了金属锂/电解质的界面(Nano Energy, 2017, 36, 411)。

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通过材料优选和结构设计,结合中压等离子体技术,该团队与新能源所研究员叶继春团队合作开发了一种碳纸/海绵碳双层结构,利用锂金属在碳纸上的低沉积电位以及海绵碳的高机械性能和电化学惰性,获得了一种导向性的双层碳结构,实现了4毫安时/平方厘米的锂金属负极稳定循环(Energy Storage Mater. 2018,11,47-56,图1b)。此外,该团队还制备了一种特殊的堆叠石墨烯,具备常规石墨烯无法实现的高沉积过电势。通过将此类堆叠石墨烯吸附于泡沫铜结构中,实现了过滤型锂金属沉积在三维结构中的应用,并获得高电流密度(5毫安时/平方厘米)下的稳定循环(Energy Storage Mater. 2019, 16, 364-373,图1c)。进一步地,通过抽滤此类堆叠石墨烯和氟化锂的分散液,该团队获得一种氟化锂修饰的层状碳膜结构,并发现在初次镀锂过程中,会在堆叠石墨烯缺陷处发生氟化锂到碳氟键的转化现象,从而获得碳氟键修饰的层状保护结构,极大提高了其对锂金属的保护性能(Adv. Energy Mater. 2019, 1802912,封面文章,图1d)。

锂金属作为锂二次电池的“圣杯”负极材料,具有3860毫安时/克的高比容量以及最低的氧化还原电位,既可以被应用于锂空气、锂硫等高能量密度体系中,也可以与锂离子正极材料配对实现二次电池能量密度的大幅度提升。然而,受制于锂金属沉积过程中的不规则枝晶生长以及锂金属与电解液的不可逆反应,锂金属负极在循环过程中会形成极度不稳定的电极/电解液界面,快速损耗电池容量和增加电池内阻,导致锂金属负极在电池中的实际应用依然受到诸多挑战。

近年来,该课题组研究人员长期致力于金属锂负极的相关研究。前期的研究工作中,针对充放电过程中金属锂负极的不均匀溶解和沉积问题,他们提出利用三维纳米集流体来引导金属锂在三维电极内部的均匀沉积与溶解的思路,成功实现了金属锂枝晶的控制(Nat. Commun., 2015, 6, 8058)。研究人员提出并开发了一种原位处理技术,成功在金属锂表面形成具有高杨氏模量、快速锂离子输运能力的磷酸锂固体电解质界面膜,有效减少了金属锂与电解液的副反应,抑制了锂枝晶的生长(Adv. Mater., 2016, 28, 1853)。

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