Предотвращение роста дендритов и объемного расширения для получения высокоэффективных апротонных биметаллических аккумуляторов Li-Na сплав-O2

• Артикул
• Опубликовано: 12 ноября 2018 г.

• Jin-Ling MA ^1,2,3 ,
• Fan-Lu Meng ² ,
• Yue Yu ^1,4 ,
• Da-Peng Liu ⁵ ,
• Jun-Min yan yan yan yan yan yan yan ORCID: orcid.org/0000-0001-8511-3810 ² ,
• Ю Чжан ORCID: orcid.org/0000-0001-8231-2910 ^5,6,7 ,
• Синь-бо Чжан ORCID: orcid.org/0000-0002-5806-159X ¹ и
• …
• Цин Цзян ²  

Природа Химия том 11 , страницы 64–70 (2019)Процитировать эту статью

• 13 тыс. обращений

• 238 цитат

• 46 Альтметрический

• Сведения о показателях

Субъекты

• Батареи
• Коррозия

Abstract

Аккумуляторы на основе апротонных щелочных металлов (Li или Na)–O ₂ вызывают большой интерес из-за их высокой теоретической удельной энергии. Однако рост дендритов и трещин на литиевом или натриевом аноде, а также их коррозионное окисление приводят к плохой циклической стабильности и проблемам безопасности. Понимание механизма и усовершенствование электрохимии ионно-литиевого покрытия и зачистки поэтому необходимы для реализации их технологического потенциала. Здесь мы сообщаем, как использование анода из сплава Li-Na и добавки к электролиту реализует апротонный биметаллический сплав Li-Na-O ₂ Аккумулятор с улучшенной циклической стабильностью. Электрохимические исследования показывают, что удаление и покрытие Li и Na, а также прочная и гибкая пассивирующая пленка, образованная на месте (добавкой 1,3-диоксолана, реагирующей со сплавом Li-Na), подавляют объем анодного расширения дендрита и буферного сплава и, таким образом, предотвращают растрескивание. избегая расхода электролита и обеспечивая высокую эффективность переноса электронов и продолжение электрохимических реакций.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылкой на эту статью.

• Последние достижения в области производных MOF для кислородных электрокатализаторов из неблагородных металлов в воздушно-цинковых батареях

  • Ютин Чжу
  • , Кайхан Юэ
  •  … Бао Юй Ся

  Нано-микробуквы Открытый доступ 07 июня 2021 г.

• Стабильные, высокопроизводительные, не содержащие дендритов аккумуляторы на водной основе с морской водой

  • Хуацзюнь Тянь
  • , Чжао Ли
  •  … Ян Ян

  Связь с природой Открытый доступ 11 января 2021 г.

• Размерная градиентная структура анода CoSe2@CNTs–MXene с добавлением эфира для стабильного хранения натрия большой емкости

  • Энзе Сюй
  • , Пэнчэн Ли
  •  … Ян Цзян

  Нано-микробуквы Открытый доступ 04 января 2021 г.

Варианты доступа

Подпишитесь на этот журнал

Получите 12 печатных выпусков и онлайн-доступ

269,00 € в год

только 22,42 € за выпуск

Подробнее

Арендуйте или купите этот товар

Получите только этот товар столько, сколько вам нужно

$39,95

Узнайте больше

Цены могут облагаться местными налогами, которые рассчитываются при оформлении заказа

Рис. : Иллюстрация подавления дендритов и трещин. Рис. 2: Характеристика сплава Li-Na. Рис. 3: Стойкость к окислению и коррозии, а также морфология металлического электрода. Рис. 4: Электрохимические характеристики симметричных батарей. Рис. 5: Электрохимическая характеристика батарей металл–O ₂ .

Доступность данных

Авторы заявляют, что все данные, подтверждающие результаты этого исследования, доступны в документе и его дополнительной информации.

Каталожные номера

1. Bruce, P.G., Freunberger, S.A., Hardwick, L.J. & Tarascon, J.M. Li–O ₂ и Li–S аккумуляторы с высоким запасом энергии. Нац. Матер. 11 , 19–29 (2012).

   Артикул КАС Google Scholar

2. Лу, Ю., Ту, З. и Арчер, Л. А. Электроосаждение стабильного лития в жидких и нанопористых твердых электролитах. Нац. Матер. 13 , 961–969 (2014).

   Артикул КАС Google Scholar

3. Ли, В. и др. Синергетический эффект полисульфида лития и нитрата лития для предотвращения роста дендритов лития. Нац. коммун. 6 , 7436–7444 (2015).

   Артикул Google Scholar

4. Qian, J. et al. Высокая скорость и стабильное циклирование металлического литиевого анода. Нац. коммун. 6 , 6362–6371 (2015).

   Артикул КАС Google Scholar

5. Вагнер, Ф. Т., Лакшманан, Б. и Матиас, М. Ф. Электрохимия и будущее автомобиля.

   J. Phys. хим. лат. 1 , 2204–2219 (2010).

   Артикул КАС Google Scholar

6. Aetukuri, N.B. et al. Сольватирующие добавки стимулируют электрохимию, опосредованную раствором, и ускоряют рост тороидальных элементов в неводных батареях Li-O ₂ . Нац. хим. 7 , 50–56 (2014).

   Артикул Google Scholar

7. “>

   Кунду, Д., Талайе, Э., Даффорт, В. и Назар, Л.Ф. Новая химия натрий-ионных батарей для электрохимического накопления энергии. Анж. хим. Междунар. Эд. 54 , 3431–3448 (2015).

   Артикул КАС Google Scholar

8. Zu, C. X. & Li, H. Термодинамический анализ плотности энергии батарей.

   Энергетика Окружающая среда. науч. 4 , 2614–2624 (2011).

   Артикул КАС Google Scholar

9. Тикекар, М. Д., Чоудхури, С., Ту, З. и Арчер, Л. А. Принципы проектирования электролитов и интерфейсов для стабильных литий-металлических батарей. Нац. Энергия 1 , 16114–16121 (2016).

   Артикул КАС Google Scholar

10. Чоудхури, С. и др. Конструктор интерфаз для литий-кислородного электрохимического элемента. науч. Доп. 3 , 1602809 (2017).

    Артикул Google Scholar

11. Wang, H., Lin, D., Liu, Y., Li, Y. & Cui, Y. Аноды сверхвысокой плотности тока с соединенным металлическим резервуаром Li за счет сверхлитиирования мезопористого AlF

    3 каркас. науч. Доп. 3 , 701301 (2017).

    Google Scholar

12. Лян, X. и др. Простой путь химии поверхности к стабилизированному металлическому литиевому аноду. Нац. Энергия 2 , 17119–17126 (2017).

    Артикул КАС Google Scholar

13. Xie., J. et al. Сшивание h-BN путем атомно-слоевого осаждения LiF в качестве стабильного интерфейса для металлического литиевого анода. Науч. Доп. 3 , 3170–3180 (2017).

    Артикул Google Scholar

14. “>

    Чжао, Дж. и др. Стабильная на воздухе и отдельно стоящая фольга из литиевого сплава/графена в качестве альтернативы анодам из металлического лития.

    Нац. Нанотех. 12 , 993–999 (2017).

    Артикул КАС Google Scholar

15. Ту, З. и др. Быстрый перенос ионов на границах твердое тело-твердое в гибридных аккумуляторных анодах. Нац. Энергия 3 , 310–316 (2018).

    Артикул КАС Google Scholar

16. Zuo, T. T. et al. Графитизированные углеродные волокна в качестве многофункциональных трехмерных токосъемников для литиевых анодов большой площади. Доп. Матер. 29 , 1700389 (2017).

    Артикул Google Scholar

17. Yu, X. & Manthiram, A. Натриево-серные батареи, работающие при температуре окружающей среды, с натриевой мембраной Nafion и композитным электродом из углеродного нановолокна из активированного угля.

    Доп. Энергия Матер. 5 , 1500350 (2015).

    Артикул Google Scholar

18. Лу, X. и др. Жидкометаллический электрод для сверхнизкотемпературных натрий-бета-глиноземных батарей для хранения возобновляемой энергии. Нац. коммун. 5 , 4578 (2014).

    Артикул КАС Google Scholar

19. Дин, Ф. и др. Осаждение лития без дендритов с помощью механизма самовосстановления электростатического экрана. Дж. Ам. хим. соц. 135 , 4450–4456 (2013).

    Артикул КАС Google Scholar

20. Zhang, Y. et al. Осаждение лития без дендритов с самовыравнивающейся структурой наностержней.

    Нано Летт. 14 , 6889–6896 (2014).

    Артикул КАС Google Scholar

21. “>

    Старк, Дж. К., Динг, Ю. и Коль, П. А. Электроосаждение без дендритов и повторное окисление литий-натриевого сплава для батареи с металлическим анодом. Дж. Электрохим. соц. 158 , A1100–A1105 (2011 г.).

    Артикул КАС Google Scholar

22. Дарвич, А. и др. Лучшие циклические характеристики объемной Sb в натрий-ионных батареях по сравнению с литий-ионными системами: неожиданный электрохимический механизм. Дж. Ам. хим. соц. 134 , 20805–20811 (2012).

    Артикул КАС Google Scholar

23. Ван, Дж. В., Лю, X. Х., Мао, С. Х. и Хуанг, Дж. Ю. Микроструктурная эволюция наночастиц олова во время введения и экстракции натрия in situ. Нано. лат. 12 , 5897–5902 (2012).

    Артикул КАС Google Scholar

24. “>

    Мизутани Ю., Ким С.Дж., Ичино Р. и Окидо М. Анодирование магниевых сплавов в щелочных растворах. Прибой. Пальто. Технол. 169 , 143–146 (2003).

    Артикул Google Scholar

25. Тавассол, Х., Кейсон, М.В., Нуццо, Р.Г. и Гевирт, А.А. Влияние оксидов на эволюцию напряжения и обратимость во время превращения SnO _x и реакций сплавления Li-Sn. Доп. Энергия Матер. 5 , 1400317 (2015).

    Артикул Google Scholar

26. Wei, S. et al. Стабилизация электрохимических интерфейсов в вязкоупругих жидких электролитах. Науч. Доп. 4 , 6243–6252 (2018).

    Артикул Google Scholar

27. Сюэ, Л., Гао, Х., Ли, Ю. и Гуденаф, Дж. Б. Катодная зависимость анодов из жидких сплавов Na-K. Дж. Ам. хим. соц. 140 , 3292–3298 (2018).

    Артикул КАС Google Scholar

28. Ли., Ю. и др. Атомная структура чувствительных аккумуляторных материалов и интерфейсов, выявленная с помощью криоэлектронной микроскопии. Наука 358 , 506–510 (2017).

    Артикул КАС Google Scholar

29. Пелед Э. Электрохимическое поведение щелочных и щелочноземельных металлов в неводных аккумуляторных системах — межфазная модель твердого электролита. Дж. Электрохим. соц. 126 , 2047–2051 (1979).

    Артикул КАС Google Scholar

30. Дойл, К.П., Ланг, С.М., Ким, К. и Коль, П.А. Электрохимическое осаждение литий-натриевых сплавов без дентрита из ионно-жидкого электролита. Дж. Электрохим. соц. 153 , A1353–A1357 (2006 г. ).

    Артикул КАС Google Scholar

31. Scordilis-Kelley, C. & Carlin, R.T. Стандартные восстановительные потенциалы лития и натрия в расплавленных солях хлоралюмината при температуре окружающей среды. Дж. Электрохим. соц. 140 , 1606–1611 (1993).

    Артикул КАС Google Scholar

32. DuBeshter, T. & Jorne, J. Импульсная поляризация для литий-ионной батареи при постоянном уровне заряда: Часть II. Моделирование индивидуальных потерь напряжения и прогноз SOC. Дж. Электрохим. соц. 164 , 3395–3405 (2017).

    Артикул Google Scholar

33. Таками, Н., Сато, А., Хара, М. и Осаки, И. Структурная и кинетическая характеристика внедрения лития в угольные аноды для вторичных литиевых батарей. Дж. Электрохим. соц. 142 , 371–379 (1995).

    Артикул КАС Google Scholar

34. Луо, К. и др. Исследование FIB-SEM распространения коррозии алюминиево-литиевого сплава в растворе хлорида натрия. Коррозия англ. науч. Технол. 50 , 390–396 (2014).

    Артикул Google Scholar

35. Франке, П. Термодинамические свойства неорганических материалов · Бинарные системы. Часть 5: Двоичные системы, Приложение 1 (Спрингер, Берлин, 2007 г.).

36. Banerjee, R., Bose, S., Genc, ​​A. & Ayyub, P. Микроструктура и электрические транспортные свойства тонких пленок из несмешивающегося медно-ниобиевого сплава. J. Appl. физ. 103 , 033511 (2008 г.).

    Артикул Google Scholar

37. Liu, C.J., Chen, J.S. & Lin, Y.K. Характеристика микроструктуры, межфазной реакции и диффузии тонкой пленки несмешивающегося сплава Cu(Ta) на SiO ₂ при повышенной температуре. Дж. Электрохим. соц. 151 , 18–23 (2004).

    Артикул Google Scholar

38. Лю, Ю. и др. Создание перезаряжаемых литий-металлических электродов за счет управления направлением роста дендритов. Нац. Энергия 2 , 17083 (2017).

    Артикул КАС Google Scholar

39. Аурбах, Д. и др. Обзор выбранных взаимодействий электрод-раствор, которые определяют характеристики литий-ионных и литий-ионных аккумуляторов. J. Power Sources 89 , 206–218 (2000).

    Артикул КАС Google Scholar

40. Этачери, В. и др. Исключительные электрохимические характеристики Si-нанопроводов в растворах 1,3-диоксолана: химическое исследование поверхности. Ленгмюр 28 , 6175–6184 (2012).

    Артикул КАС Google Scholar

41. “>

    Miao, R. et al. Новый раствор электролита на основе двойных солей для бездендритных аккумуляторов на основе литий-металла с высокой обратимостью циклов. J. Источники питания 271 , 291–297 (2014).

    Артикул КАС Google Scholar

42. Yan, C. et al. Защита металлического лития за счет твердого электролита, образованного на месте, в литий-серных батареях: роль полисульфидов на литиевом аноде. J. Источники питания 327 , 212–220 (2016).

    Артикул КАС Google Scholar

43. Yadegari, H. et al. Трехмерный наноструктурированный воздушный электрод для натрий-кислородных батарей: изучение механизма циклируемости элемента. Хим. Матер. 27 , 3040–3047 (2015).

    Артикул КАС Google Scholar

44. Liu, Q. C. et al. Искусственная защитная пленка на литий-металлическом аноде для литий-кислородных аккумуляторов с длительным сроком службы. Доп. Матер. 27 , 5241–5247 (2015).

    Артикул КАС Google Scholar

45. Элиа Г.А. и др. Усовершенствованная литий-воздушная батарея, использующая электролит на основе ионной жидкости. Нано Летт. 14 , 6572–6577 (2014).

    Артикул КАС Google Scholar

46. Liu, W.M. et al. NiCo ₂ O ₄ нанолисты на пене Ni для перезаряжаемых неводных натрий-воздушных батарей. Электрохим. коммун. 45 , 87–90 (2014).

    Артикул Google Scholar

Download references

Acknowledgements

This work was financially supported by the National Key R&D Program of China (grants 2017YFA0206700), the National Natural Science Foundation of China (grants 21725103, 51472232, 51522101, 51471075, 51631004, 21771013 and 51522202), Программа стратегических приоритетных исследований Китайской академии наук (грант XDA0

04), проект JCKY2016130B010, 111 (грант B14009) и Программа инновационной исследовательской группы JLU в области науки и технологий (2017TD-09).

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Государственная ключевая лаборатория использования редкоземельных ресурсов, Чанчуньский институт прикладной химии, Китайская академия наук, Чанчунь, Китай

   Цзинь-лин Ма, Юэ Ю и Синь-бо Чжан

2. Ключевая лаборатория автомобильных материалов, Министерство образования, и Департамент материаловедения и инженерии, Цзилиньский университет, Чанчунь, Цзилинь, Китай

   Цзинь-лин Ма, Фан-лу Мэн, Цзюнь-мин Ян и Цин Цзян

3. Университет Китайской академии наук, Пекин, Китай

   Цзинь-лин Ма

4. Китайский университет науки и технологий , Хэфэй, Аньхой, Китай

   Юэ Ю

5. Ключевая лаборатория биоинспирированных интеллектуальных интерфейсов науки и техники Министерства образования Школы химии Бейханского университета Пекин, Пекин, Китай

   Да-пэн Лю и Ю Чжан

6. Международный исследовательский институт для междисциплинарной науки Университет Бейханг Пекин, Пекин, Китай

   Ю Чжан

7. Пекин.

8. Jin-ling Ma

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

9. Fan-lu Meng

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

10. Yue Yu

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

11. Da-peng Liu

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

12. Июнь-мин Ян

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

13. Yu Zhang

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

14. Xin-bo Zhang

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

15. Qing Jiang

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

X. B.Z., J.M.Y., Y.Z. и Дж.Л.М. разработал концепцию исследования. J.M.Y. разработал сплав Li-Na и катализатор, а J.L.M. затем подготовили материалы. X.B.Z. разработал электрохимические эксперименты, которые J.L.M и Y.Y. выполненный. X.B.Z., J.M.Y., Y.Z., J.L.M. и Ф.Л.М. внесли свой вклад в интерпретацию результатов и написали рукопись, а все авторы внесли свой вклад в научную дискуссию.

Авторы переписки

Переписка с Цзюнь-мин Ян, Юй Чжан или Синь-бо Чжан.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​принадлежности к организациям.

Дополнительная информация

Дополнительная информация

Дополнительные методы, дополнительные рисунки 1–27, дополнительные таблицы 1–4

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

О статье

Отдельно стоящая композитная бумага Na2C6O6/MXene для высокоэффективных органических натрий-ионных аккумуляторов

• Женгран Ван
• Ючан Чжан
• Джинкуй Фэн

Исследования в области нанотехнологий (2023)

Полые катализаторы с помощью различных видов травления для улучшения активных центров и кислородных вакансий в высокоэффективных батареях Li-O2

• Цзячен Цю
• Юран Линь
• Цайюн Нан

Исследования в области нанотехнологий (2023)

Углеродный нанокуб, легированный азотом, с содиофильными участками оксида цинка обеспечивает превосходный анод из металла натрия.

• Иджуань Ли
• Пань Сюй
• Шаомин Хуан

Исследования в области нанотехнологий (2023)

Прочный полностью органический защитный слой для литий-металлических анодов сверхвысокой скорости и большой емкости.

• Шимей Ли
• Цзюньлун Хуан
• Динцай Ву

Природа Нанотехнологии (2022)

Модулирование времени Песка за счет усиления ионного транспорта к литиевому металлическому аноду без дендритов

• Ю Ян
• Чаочжу Шу
• Ин Цзэн

Исследования в области нанотехнологий (2022)

Биметаллические окислительно-восстановительные активные комплексы металлов в качестве бифункциональных катализаторов для Li-O2 аккумуляторов

Li-O ₂  батареи считаются многообещающими кандидатами для устройств хранения энергии следующего поколения благодаря их высокой теоретической плотности энергии (∼3500 Втч кг ⁻¹ ). Однако их практическому применению препятствуют их большое перенапряжение, способность работать на низких скоростях и плохая циклическая стабильность. Ключом к улучшению характеристик Li-O ₂ аккумуляторов является поиск эффективных катодных катализаторов, которые увеличивают кинетику реакции восстановления кислорода (ORR) и реакции выделения кислорода (OER). Ni-бис(дитиолен) можно рассматривать как неорганический аналог тетратиафульвалена (ТТФ). Исследовательские группы проф. Jing-Lin Zuo, Jing Ma, Ping He недавно успешно синтезировали биметаллический окислительно-восстановительный активный комплекс путем одновременного включения звеньев Ni-бис(дитиолена) и Co-порфирина в качестве бифункциональных катодных катализаторов ORR/OER для Li-O ₂ батареи.

Рис.1.  Биметаллические редокс-активные комплексы металлов в качестве бифункциональных катализаторов для Li-O ₂  аккумуляторов.

Биметаллический КОФ был синтезирован сборкой Ni(bded) ₂  (bded = бис[1,2-ди(4-формилфенил)этилен-1,2-дитолат]) и 5,10,15,20- тетракис(4-аминофенил)порфинатокобальт. Между тем, неметаллические или одиночные металлические изоструктурные COF также были синтезированы путем замены Ni(bded) ₂ его органическим аналогом 2,3,6,7-тетра (4-формилфенил)-тетратиафульваленом (TTF-TBA) или с использованием свободного на основе порфириновых линкеров 5,10,15,20-тетракис(4-аминофенил)порфинато. Синергетическая комбинация Ni-бис(дитиолена) и Co-порфирина привела к получению биметаллического Ni/Co-COF с высокой площадью поверхности по методу БЭТ (116 м ² г ^-1 ), довольно хорошая электропроводность (1,18 × 10 ^-4 См · м ^-1 ), отличная химическая стабильность и бифункциональная ORR / OER активность в качестве катода Li-O ₂  . Аккумуляторы Li-O ₂ с катодами Ni/Co-COF имеют малый потенциал разряда/заряда (1,0 В) и стабильное циклирование в течение 200 циклов при плотности тока 500 мА·г ⁻¹ , что значительно лучше, чем неметаллических или одиночных изоструктурных КОФ на основе металлов. Кроме того, важная роль центров Ni и Co в содействии ORR/OER и индуцировании однородного Li ₂ O ₂ осаждение было подтверждено контрольными экспериментами и расчетами DFT. Эта работа будет полезна для разработки новых электрокатализаторов для апротонных Li-O ₂ аккумуляторов и других.

Рис.2. Электрохимические характеристики Li-O ₂ аккумуляторов с использованием различных катодных катализаторов COF.

Работа была опубликована в Science Advances (DOI: 10.1126/sciadv.adf2398) под названием Ковалентные органические каркасы с Ni-бис(дитиоленовыми) и со-порфириновыми звеньями в качестве бифункциональных катализаторов для Li-O ₂  Батарейки . Соавторами статьи являются Si-Wen Ke, Wei Li и Yuming Gu. В этой работе участвовали профессора Шуай Юань и Цзянь Су. Вышеупомянутая исследовательская работа была поддержана Национальной ключевой программой исследований и разработок Китая (2018YFA0306004, 2019YFC0408303), Национальным фондом естественных наук Китая (№ 21875099, 22033004, 21873045, 21922508, 22179059 и U1801251), а также Научный фонд провинции Цзянсу (BK20220765, BK20220928).