久久精品国产网红主播,好男人社区在线www,亚洲作爱

新聞直報(bào)員供求信息會員

當(dāng)前位置 > 首頁 > 新材料 > 行業(yè)動態(tài) > 正文內(nèi)容

武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)Acc. Chem. Res.：一維異質(zhì)納米電池材料

文章來源：未知更新時(shí)間：2018-05-04 10:40:42

【引言】

可充電的二次電池能夠多次可逆地轉(zhuǎn)化和儲存電能，是目前應(yīng)用于電動汽車和便攜式電子設(shè)備中的主要供電裝置。對于該類儲能裝置而言，提升其能量密度、功率密度、循環(huán)壽命和安全性是研究者們的終極目標(biāo)。為了達(dá)到這些目的，許多研究者將二次電池中的電極材料制備成各種納米結(jié)構(gòu)，并取得了顯著的效果。在諸多納米材料中，一維納米材料由于其高的長徑比，擁有許多獨(dú)特的優(yōu)異性質(zhì)，如易于構(gòu)成三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來緩沖形變、易于構(gòu)筑各類微納器件、擁有更有利的內(nèi)應(yīng)力分布等等。然而，單一成分的電極材料難以兼顧離子/電子的高效傳輸以及在電化學(xué)環(huán)境中保持穩(wěn)定。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)功能型的一維異質(zhì)納米電池材料可以得到更優(yōu)的電化學(xué)性能。

【成果簡介】

近日，Accounts of Chemical Research在線發(fā)表武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)綜述 “One-Dimensional Hetero-Nanostructures for Rechargeable Batteries”。該文系統(tǒng)地總結(jié)了麥立強(qiáng)教授課題組關(guān)于一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線電極材料的工作，并結(jié)合當(dāng)前的研究進(jìn)展，闡述了該類材料的制備策略和性能優(yōu)化機(jī)制（如下圖），并對其今后的發(fā)展方向和策略提出了見解和展望。

【圖文導(dǎo)讀】

在本篇綜述中，作者歸納了異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線的合成策略，主要分為成核生長、沉積和熔融-成型三類，并詳細(xì)闡述了各類策略的化學(xué)原理，討論了他們的優(yōu)勢和劣勢及適用范圍。1）成核生長法的化學(xué)條件較為容易達(dá)到，一般為高溫高壓的溶液環(huán)境，對于能自發(fā)沿一維方向生長的部分過渡金屬元素非常適合。2）沉積法適用于構(gòu)造多種功能型的表面層狀結(jié)構(gòu)，需要先獲取能在沉積的化學(xué)環(huán)境下穩(wěn)定存在的一維納米結(jié)構(gòu)基底。3）熔融-成型法也是一種合成一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效手段，先將材料熔融成流體，再通過模板鑄造成一維結(jié)構(gòu)并凝固，以物理過程主導(dǎo)，也能伴有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，可以用于難以通過化學(xué)手段合成的材料。

圖1 一維異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的主要合成策略

（a-c）一步成核生長構(gòu)筑Li₃V₂(PO₄)₃/C納米線；

（d-f）多步成核生長構(gòu)筑CoMoO₄/MnMoO₄異質(zhì)納米線；

（g-i）物理氣相沉積和電沉積構(gòu)筑全固態(tài)螺旋柱狀微型電容器；

（j-l）電紡熱解法構(gòu)筑中空多孔狀和豌豆?fàn)町愘|(zhì)納米線。

除了合成策略外，該文還對一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)在電化學(xué)儲能體系中的作用機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)說明。大部分電極材料在發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)和合金化反應(yīng)時(shí)會產(chǎn)生較大的體積變化，例如在SnO₂納米棒的表面生長枝狀的聚苯胺（PANI）可以使納米棒之間獲得相互交聯(lián)的作用力，不僅能有效緩解SnO₂的體積膨脹導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)坍塌，還可以增加其導(dǎo)電性。在錳氧化物外側(cè)包覆一層碳材料形成核殼結(jié)構(gòu)，在充放電時(shí)可以有效地抑制由體積變化導(dǎo)致的SEI膜反復(fù)生長。

圖2 一維異質(zhì)納米材料的結(jié)構(gòu)保護(hù)機(jī)制

（a）SnO₂-PANI有效抑制了體積膨脹導(dǎo)致的SnO₂結(jié)構(gòu)坍塌示意圖；

（b）SnO₂和（c）SnO₂-PANI循環(huán)后的SEM圖像；

（d）錳氧化物-碳核殼結(jié)構(gòu)緩解體積變化造成的SEI膜持續(xù)生成示意圖；

（e-f）錳氧化物-碳核殼結(jié)構(gòu)和純相錳氧化物循環(huán)性能圖（e）和循環(huán)前后的交流阻抗譜（f）。

許多具有電化學(xué)活性的電極材料自身的導(dǎo)電性并不理想，而在其表層復(fù)合了導(dǎo)電物質(zhì)后，會在一定程度上降低離子在電解液和電極材料之間的傳輸效率。通過在一維結(jié)構(gòu)外部包覆多孔或半中空的導(dǎo)電材料，則可以提供離子/電子的雙連續(xù)傳輸。例如，在合成環(huán)境下提供一定的能量，讓石墨烯自卷曲于V₃O₇納米線表面，該過程使得石墨烯和納米線之間形成了一定的空隙，構(gòu)筑成半中空的結(jié)構(gòu)，這樣既能保證電子的高效傳輸，能保證足夠大的活性物質(zhì)與電解液的接觸面積，保證離子的快速擴(kuò)散。在MnO₂的表面包裹一層多孔石墨烯，也同樣能使離子通過孔結(jié)構(gòu)更容易地穿過石墨烯包覆層，達(dá)到雙連續(xù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

圖3 一維異質(zhì)納米材料的離子/電子雙連續(xù)傳輸機(jī)制

（a）在MnO₂的表面包裹一層多孔石墨烯，達(dá)到離子/電子雙連續(xù)傳輸示意圖；

（b）MnO₂-多孔石墨烯的SEM表征；

（c）純相MnO₂、MnO₂-石墨烯和MnO₂-多孔石墨烯的電化學(xué)性能表征；

（d）讓石墨烯自卷曲于V₃O₇納米線表面，其間形成一定的空隙構(gòu)筑成半中空的結(jié)構(gòu)示意圖；

（e）V₃O₇-石墨烯半中空結(jié)構(gòu)的TEM表征；

（f）純相V₃O₇、V₃O₇-石墨烯復(fù)合物和V₃O₇-石墨烯半中空納米線循環(huán)性能圖。

除了對一維結(jié)構(gòu)外部進(jìn)行修飾，在其內(nèi)部構(gòu)筑原子級的異質(zhì)結(jié)構(gòu)則可以獲得拓寬和加固的離子擴(kuò)散通道。α相的MoO₃在離子脫嵌時(shí)會產(chǎn)生不可逆的結(jié)構(gòu)破壞，通過在其內(nèi)部預(yù)嵌入一定量的Na⁺形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以拓寬層間距以獲得更穩(wěn)定的性能。通過對V₂O₅層間分別預(yù)嵌入Li⁺、Na⁺、K⁺和Rb⁺，也可以使其層間構(gòu)成更牢固的化學(xué)鍵，并擴(kuò)大層間距，使結(jié)構(gòu)在保證高效離子傳輸?shù)耐瑫r(shí)保持穩(wěn)定。其中，預(yù)嵌入K⁺的材料具備更低的離子擴(kuò)散勢壘，展現(xiàn)了最佳的電化學(xué)性能。

圖4 構(gòu)筑原子級異質(zhì)結(jié)構(gòu)來拓寬和穩(wěn)固離子傳輸通道

（a）α-MoO₃內(nèi)部預(yù)嵌入Na⁺形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)拓寬層間距示意圖；

（b-c）α-MoO₃內(nèi)部預(yù)嵌入Na⁺（b）和純相α-MoO₃（c）的原位XRD表征；

（d）V₂O₅層間預(yù)嵌入K⁺示意圖；

（e-g）V₂O₅層間分別預(yù)嵌入Li⁺、Na⁺、K⁺和Rb⁺后的晶體結(jié)構(gòu)示意圖（e）、循環(huán)性能圖（f）和倍率性能圖（g）。

對于易溶解于電解液中的硫族電極材料，構(gòu)筑一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)也能夠通過物理限域效應(yīng)以及界面處的化學(xué)吸附作用來有效抑制其溶解。早期，一些有機(jī)物修飾或者硫、氮摻雜的碳納米管，以及聚合物納米管被作為固硫基體，得到了較高的容量以及循環(huán)性能。但是由于其結(jié)構(gòu)的單一以及聚合物、改性碳等原因，該類材料與多硫化物的化學(xué)吸附能并不高。因此，具有極性表面的氧化物、硫化物等一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)又被相繼研發(fā)。MnO₂/C異質(zhì)納米管作為固硫正極不僅可以通過較強(qiáng)的表面極性鍵吸附多硫化物，同時(shí)碳納米管可以提供快速的電子傳導(dǎo)，使得硫正極表現(xiàn)出更高的比容量與循環(huán)壽命。并且一些具有特定電壓（~2.4 V）的氧化物材料還可以在硫還原的過程中通過自身還原來生成硫代硫酸根、連多硫酸根等化學(xué)媒介。這些媒介可以與多硫化物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，促進(jìn)低價(jià)硫化鋰的生成，保證整個(gè)放電過程的順利進(jìn)行，緩解多硫化物的溶解與穿梭效應(yīng)。

圖5 通過界面處的化學(xué)鍵作用來抑制電極材料溶解

（a）聚合物修飾碳納米管用于固硫的結(jié)構(gòu)示意圖，及多硫化物與聚合化學(xué)吸附能的DFT計(jì)算模型；

（b）一維聚苯胺納米管作為固硫基體示意圖；

（c）錫摻雜的氧化銦與陽極電解液Li₂S₈在C/5下的循環(huán)性能及庫倫效率；

（d）MnO₂/C異質(zhì)納米管結(jié)構(gòu)作為高效的固硫基體；

（e）δ-MnO₂固硫基體在放電過程中與多硫化物的界面產(chǎn)生硫代硫酸根等媒介的示意圖。

【小結(jié)與展望】

結(jié)合目前電極材料的研究現(xiàn)狀，作者還針對一維異質(zhì)電極材料今后的發(fā)展提出了一些可行的研究方向。首先，在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，幾乎所有材料的復(fù)合度都在一個(gè)宏觀的程度，最小的也有幾百納米至幾微米，如果能將復(fù)合度降低到一個(gè)更小的范圍，將使得性能優(yōu)化效果進(jìn)一步大幅提升。其次，目前大多數(shù)研究工作中獲得的產(chǎn)品對實(shí)驗(yàn)條件有較高的要求，生產(chǎn)成本仍然難以降低至可大規(guī)模生產(chǎn)，在保證出類拔萃的電化學(xué)性能的同時(shí)，再對這些材料的制造成本的降低進(jìn)行一定的研究，則有利于將該類材料向產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)。再者，目前電極片中活性物質(zhì)的負(fù)載量仍有巨大的提升空間，若能將其提升一至兩個(gè)數(shù)量級，電池整體的能量密度也將得到新的突破。因此，開發(fā)新型一維異質(zhì)材料的制備方法，以及構(gòu)筑更先進(jìn)的一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍然具有十分重要的意義。

相關(guān)新聞

[2024-06-28]·湖北宜化擬公開掛牌轉(zhuǎn)讓降解新材

[2024-06-28]·廣信股份公開一項(xiàng)聚氨酯農(nóng)藥微膠

[2024-06-28]·伊之密與海爾再度攜手，共筑智能

[2024-06-28]·全球首列！更輕更節(jié)能的碳纖維地

[2024-06-28]·稀土紅外反射中空隔熱聚酰胺纖維

[2024-06-28]·盛禧奧在意大利開設(shè)PMMA先進(jìn)回收

[2024-06-28]·APS Elastomers推出新的耐高溫T

[2024-06-28]·杜邦FROTH-PAK?環(huán)保型低壓雙組

[2024-06-27]·科學(xué)家創(chuàng)制出無疲勞鐵電材料?有

[2024-06-27]·亞納米尺度全暴露Pt團(tuán)簇高效催化