Низкотемпературная батарея Li–S с биметаллическими катализаторами CoFe

Нин Гао, ^и Юцзяо Чжан, ^и Чонг Чен, ^б Бао Ли, ^с Вэньбяо Ли, ^и Хуэйцян Лу, ^д ле Ю, * ^б Шумин Чжэн* ^и и Бао Ван * ^и

Принадлежности автора

* Соответствующие авторы

^и

Государственная ключевая лаборатория биохимической инженерии, Институт технологических процессов, Китайская академия наук, Пекин, КНР
Электронная почта: smzheng@ipe. ac.cn, [email protected]

^б Ключевая государственная лаборатория органо-неорганических композитов, Пекинский передовой инновационный центр науки и техники о мягких веществах, Пекинский химико-технологический университет, Пекин, КНР
Электронная почта: юле@mail.buct.edu.cn

^с

Школа химии и химического машиностроения Хэнаньского педагогического университета, Синьсян, КНР

^д Ключевая лаборатория Ганьчжоу по скринингу и обнаружению наркотиков, Школа географии и экологической инженерии, Ганнаньский педагогический университет, Ганьчжоу, КНР

Аннотация

rsc.org/schema/rscart38″> Литий-серные (Li-S) батареи считаются перспективными накопителями энергии. Чтобы обеспечить практическое применение в естественной среде, батареи Li-S должны нормально работать при низкой температуре. Однако внутренние характеристики S, такие как большие колебания объема, низкая проводимость и эффект челнока, препятствуют его применению при низких температурах. Кроме того, Li

⁺ плохо переносится при низких температурах, что приводит к быстрому ухудшению производительности, низкой производительности и большому перенапряжению. В этом исследовании был разработан отдельно стоящий носитель с биметаллическими наночастицами CoFe. CoFe действует как эффективный катализатор конверсии полисульфидов. in situ рост графитовых оболочек вокруг биметаллических наночастиц CoFe функционирует как нанореактор для удержания и поглощения полисульфидов, а носитель представляет собой идеальную пористую сеть проводимости для быстрого переноса ионов, предотвращая накопление Li

₂ S и облегчая изменения объема в процессе литирования/делитирования. Расчеты теории функционала плотности (DFT) доказывают, что последовательный процесс литирования от S ₈ до Li ₂ S на CoFe является термодинамически спонтанным, а CoFe обладает кинетической каталитической активностью для этой серии реакций литирования. Экспериментально рационально спроектированные катоды CoFe@C@CNF внедряются в Li-S аккумуляторы для низкотемпературных применений. Катод обеспечивает превосходную пропускную способность (828 мА·ч·г ⁻¹ при 10°C) и низкую скорость затухания (0,053% за цикл более 300 циклов). Повышенная емкость (836 мА·ч·г ⁻¹ при 0,2°C) и стабильность при циклировании (коэффициент сохранения емкости 94,5% после 100 циклов) были достигнуты при -20 °C. Это исследование предлагает возможный метод разработки высокоскоростных и долговечных литий-ионных аккумуляторов для низкотемпературных применений.

Рационально разработанные биметаллические микросферы сульфида Co-Ni в качестве высокопроизводительного электрода аккумуляторного типа для гибридных суперконденсаторов

. 2022 13 декабря; 12 (24): 4435.

дои: 10.3390/нано12244435.

Джон Антуван Раджеш ¹ , Парк Чон-Янг ¹ , Раму Маникандан ² , Кванг-Сун Ан ¹

Принадлежности

• ¹ Школа химического машиностроения, Университет Йоннам, Кёнсан 712-749, Республика Корея.
• ² Департамент энергетики и материаловедения, Университет Донгук, Сеул 04620, Республика Корея.

• PMID: 36558288
• PMCID: PMC9784776
• DOI: 10. 3390/нано12244435

Бесплатная статья ЧВК

Джон Антуван Раджеш и др. Наноматериалы (Базель).

2022 .

Бесплатная статья ЧВК

. 2022 13 декабря; 12 (24): 4435.

дои: 10.3390/nano12244435.

Авторы

Джон Антуван Раджеш ¹ , Парк Чон-Янг ¹ , Раму Маникандан ² , Кванг-Сун Ан ¹

Принадлежности

• ¹ Школа химического машиностроения, Университет Ённам, Кёнсан 712-749, Республика Корея.
• ² Факультет энергетики и материаловедения, Университет Донгук, Сеул 04620, Республика Корея.

• PMID: 36558288
• PMCID: PMC9784776
• DOI: 10.3390/нано12244435

Абстрактный

Рациональное проектирование электродных материалов представляет большой интерес для улучшения характеристик суперконденсаторов аккумуляторного типа. Биметаллические электродные материалы NiCo ₂ S ₄ (NCS) и CoNi ₂ S ₄ (CNS) привлекли большое внимание для суперконденсаторов из-за их богатых электрохимических характеристик.

Однако сравнительные электрохимические характеристики электродов NCS и CNS никогда не изучались для применения в суперконденсаторах. В этой работе микросфероподобные биметаллические структуры NCS и CNS были синтезированы с помощью простого одностадийного гидротермального метода, контролируя молярное соотношение прекурсоров Ni и Co. Физико-химические результаты подтвердили, что микросфероподобные структуры с кубическими материалами NCS и CNS типа шпинели были успешно изготовлены этим методом. При испытании в качестве материалов для электродов суперконденсаторов электроды NCS и CNS продемонстрировали поведение аккумуляторного типа в трехэлектродной конфигурации с выдающимися электрохимическими характеристиками, такими как удельная емкость, скорость работы и стабильность цикла. Впечатляет, что электрод CNS показал высокую удельную емкость 430,1 Кл·г·9.0003 -1 при 1 А g ^-1 , что выше, чем 345,9 C g ^-1 электрода NCS. Кроме того, электроды NCS и CNS продемонстрировали достойную стабильность при циклировании с сохранением емкости 75,70 и 84,70% после 10 000 циклов. Воспользовавшись электрохимическим преимуществом микросфер ЦНС, мы изготовили устройство гибридного суперконденсатора (HSC) на основе микросфер ЦНС (положительный электрод) и активированного угля (AC, отрицательный электрод), которое получило название CNS//AC. Собранное устройство CNS//AC HSC показало большую плотность энергии 41,98 Втч кг ^-1 при плотности мощности 800,04 Вт кг ^-1 и показал замечательную циклическую стабильность с сохранением емкости 91,79% после 15000 циклов. Эти превосходные электрохимические характеристики демонстрируют, что как биметаллические микросферы NCS, так и микросферы CNS могут стать потенциальными электродными материалами для высокоэффективных суперконденсаторов аккумуляторного типа.

Ключевые слова: суперконденсатор аккумуляторного типа; плотность энергии; гибридный суперконденсатор; микросфероподобные структуры; сульфиды переходных металлов.

Заявление о конфликте интересов

w3.org/1999/xlink” xmlns:mml=”http://www.w3.org/1998/Math/MathML” xmlns:p1=”http://pubmed.gov/pub-one”> Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Цифры

Рисунок 1

( а , б )…

Рисунок 1

( a , b ) Рентгенограммы образцов NCS и CNS,…

Рисунок 1

( a , b ) Рентгенограммы образцов NCS и CNS соответственно.

Рисунок 2

( a ) XPS…

Рисунок 2

( a ) Спектр сканирования с помощью XPS образцов NCS и CNS. …

фигура 2

( a ) Спектр сканирования образцов NCS и CNS при исследовании XPS. Спектры деконволюции ( b ) Ni 2p, ( c ) Co 2p и ( d ) S 2p.

Рисунок 3

FE-SEM изображения ( a…

Рисунок 3

FE-SEM изображения ( a – c ) микросфер NCS и ( d…

Рисунок 3

изображения FE-SEM ( a – c ) микросфер NCS и ( d – f ) микросфер CNS. ( g , i ) Электронные изображения образцов NCS и CNS соответственно. ( ч , j ) Спектры EDX NCS и CNS соответственно.

Рисунок 4

( а – в )…

Рисунок 4

( a – c ) TEM изображения ( d ) TEM с большим увеличением…

Рисунок 4

( a – c ) ПЭМ-изображения ( d ) сильно увеличенное ПЭМ-изображение, ( e ) HRTEM-изображение микросфероподобной структуры ЦНС и ( f – i ) Элементарное картирование HAADF-STEM образца ЦНС. Вставка в ( b ) является шаблоном SAED.

Рисунок 5

Собственные электрохимические свойства…

Рисунок 5

Собственные электрохимические свойства исходных электродов NCS и CNS. ( а…

Рисунок 5

Внутренние электрохимические свойства исходных электродов NCS и CNS. ( a ) Графики Найквиста, а вставка представляет собой модель эквивалентной схемы и ( b ) графики разностей плотности тока в зависимости от скорости сканирования.

Рисунок 6

Показатели циклической вольтамперометрии NCS…

Рисунок 6

Циклическая вольтамперометрия электродов NCS и CNS. ( a ) сравнительное резюме…

Рисунок 6

Показатели циклической вольтамперометрии электродов NCS и CNS. ( a ) сравнительные кривые CV, ( b , c ) подробные кривые CV электродов NCS и CNS при различных скоростях развертки соответственно. ( d ) Соотношение между катодным/анодным пиковым током и квадратным корнем скорости сканирования для электродов NCS и CNS.

Рисунок 6

Показатели циклической вольтамперометрии NCS…

Рисунок 6

Циклическая вольтамперометрия электродов NCS и CNS. ( a ) сравнительное резюме…

Рисунок 6

Показатели циклической вольтамперометрии электродов NCS и CNS. ( а ) сравнительные кривые CV, ( b , c ) подробные кривые CV электродов NCS и CNS при различных скоростях развертки соответственно. ( d ) Соотношение между катодным/анодным пиковым током и квадратным корнем скорости сканирования для электродов NCS и CNS.

Рисунок 7

Характеристики разряда гальваностатического заряда…

Рисунок 7

Характеристики гальваностатического заряда-разряда электродов NCS и CNS. ( a ) сравнительный…

Рисунок 7

Характеристики разряда гальваностатического заряда электродов NCS и CNS. ( a ) сравнительный профиль GCD, ( b , c ) подробные кривые GCD электродов NCS и CNS при различных плотностях тока соответственно. ( d ) Скорость работы электродов NCS и CNS.

Рисунок 8

( а , б )…

Рисунок 8

( a , b ) Долгосрочная циклируемость электродов NCS и CNS…

Рисунок 8

( a , b ) Долговременная циклируемость электродов NCS и CNS при 40 А g ^-1 за 10 000 циклов соответственно.

Рисунок 9

Гибридный суперконденсатор исполнения CNS//AC…

Рисунок 9

Характеристики гибридного суперконденсатора устройства CNS//AC. ( a ) CV кривые AC…

Рисунок 9

Производительность гибридного суперконденсатора устройства CNS//AC. ( a ) ЦВА электродов переменного тока и ЦНС при 50 мВ с скорости сканирования от 10 до 50 мВ с ⁻¹ , ( d ) кривые НОД при различных плотностях тока, ( e ) график удельных емкостей Vs. различные плотности тока и ( f ) характеристики долговременной стабильности устройства HSC в течение 15 000 циклов при 40 А г ^-1 .

Рисунок 10

График плотности энергии Рагона…

Рисунок 10

График Рагона плотности энергии и плотности мощности устройства CNS//AC HSC с…

Рисунок 10

График Рагона плотности энергии и плотности мощности устройства CNS//AC HSC с ранее описанными устройствами суперконденсатора.

Рисунок 11

( и ) Два HSC…

Рисунок 11

( a ) Две ячейки HSC, соединенные последовательно для светло-зеленых светодиодов,…

Рисунок 11

( a ) Две ячейки HSC, соединенные последовательно со светло-зелеными светодиодами, ( b ) Схема Ю состоит из 14 светодиодов, ( c , d ) 14 светодиодов с питанием от двух последовательно соединенных ячеек HSC.

См. это изображение и информацию об авторских правах в PMC

.

Похожие статьи

• Формирование игольчатого пористого CoNi ₂ S ₄ -MnOOH для высокоэффективных гибридных суперконденсаторов с высокой плотностью энергии.

  Цинь В., Ли Дж., Лю С., Чжоу Н., Ву С., Дин М., Цзя С. Цинь В. и др. J Коллоидный интерфейс Sci. 201915 октября; 554:125-132. doi: 10.1016/j.jcis.2019.07.010. Epub 2019 4 июля. J Коллоидный интерфейс Sci. 2019. PMID: 31288176

• Биметаллический NiCo ₂ S ₄ Наноиглы, закрепленные на мезоуглеродных микробусинах, в качестве усовершенствованных электродов для асимметричных суперконденсаторов.

  Чжан Ю, Чжан Ю, Чжан Ю, Си Х, Сунь Л. Чжан И и др. Наномикро Летт. 2019 23 апр; 11(1):35. дои: 10.1007/s40820-019-0265-1. Наномикро Летт. 2019. PMID: 34137965 Бесплатная статья ЧВК.

• 2D-нанолист/3D-кубический каркас сульфидов Ni-Co для улучшения характеристик суперконденсатора за счет структурной инженерии.

  Чжан Ц , Ши Ц , Ян Ю , Цзан Ц , Сяо З , Чжан С , Ван Л . Чжан Кью и др. Далтон Транс. 2020 23 июня; 49 (24): 8162-8168. doi: 10.1039/d0dt01430c. Далтон Транс. 2020. PMID: 32510091

• Интегрированные электроды батареи-конденсатора: пиридиновый N-легированный пористый углеродный слой с обильной кислородной вакансией Mn-Ni-слоистый двойной оксид для гибридных суперконденсаторов.

  Цзян С., Цяо Ю., Фу Т., Пэн В., Ю. Т., Ян Б., Ся Р., Гао М. Цзян С. и др. Интерфейсы приложений ACS. 2021 28 июля; 13 (29): 34374-34384. doi: 10.1021/acsami.1c08699. Epub 2021 14 июля. Интерфейсы приложений ACS. 2021. PMID: 34261317

• Рациональное конструирование массивов треугольных никель-кобальтовых биметаллических металлоорганических каркасных нанолистов в качестве электродов аккумуляторного типа для гибридных суперконденсаторов.

  Ван Дж., Чжун К., Цзэн Й., Ченг Д., Сюн Й., Бу Й. Ван Дж. и др. J Коллоидный интерфейс Sci. 2019 1 ноября; 555: 42-52. doi: 10.1016/j.jcis.2019.07.063. Epub 2019 24 июля. J Коллоидный интерфейс Sci. 2019. PMID: 31376767

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Полученные из MOF ультратонкие нанолистовые гибридные матричные электроды NiCo-S, изготовленные на основе пеноникеля для высокопроизводительных суперконденсаторов.

  Ли Дж., Ли Дж., Шао М., Ян И., Ли Р. Ли Дж. и др. Наноматериалы (Базель). 2023 30 марта; 13 (7): 1229. дои: 10.3390/nano13071229. Наноматериалы (Базель). 2023. PMID: 37049322 Бесплатная статья ЧВК.

Рекомендации

1. 1. Zuo W. , Li R., Zhou C., Li Y., Xia J., Liu J. Гибридные устройства батарея-суперконденсатор: недавний прогресс и перспективы на будущее. Доп. науч. 2017;4:1600539. doi: 10.1002/advs.201600539. – DOI – ЧВК – пабмед
2. 1. Лю Х., Лю С., Ван С., Лю Х.К., Ли Л. Электроды батарейного типа на основе переходных металлов в гибридных суперконденсаторах: обзор. Энергетический магазин. Матер. 2020;28:122. doi: 10.1016/j.ensm.2020.03.003. – DOI
3. 1. Zhang D. , Guo X., Tong X., Chen Y., Duan M., Shi J., Jiang C., Hu L., Kong Q., Zhang J. Высокоэффективный аккумуляторный суперконденсатор на основе пористого биоуглерода и двухслойный двойной гидроксид Ni-Co на подложке из биоуглерода. J. Alloys Compd. 2020;837:155529. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.155529. – DOI
4. 1. Гуань Л., Ю Л., Чен Г.З. Емкостные и неемкостные накопители фарадеевского заряда. Электрохим. Акта. 2016;206:464. doi: 10.1016/j.electacta.2016.01.213. – DOI
5. 1. Лукацкая М.