時時頭條
  • 娛樂
  • 體育
  • 財經
  • 科技
  • 旅遊
  • 軍事
  • 育兒
  • 時尚
  • 遊戲
  • 歷史
  1. 首頁
  2. 科技

復旦大學彭慧勝院士團隊,最新Nature!

2024-02-08 09:20:19

鈣是地球上最豐富的二價金屬,理論上這些電池可以提供比鋰離子電池更便宜、能量密度更高的替代品。然而,鈣較大的原子半徑和較高的電荷會產生許多問題,仍然需要克服這些問題才能製造出可行的電池。

理論上,鈣氧 (Ca-O 2) 電池可以透過以低成本將 O 2 還原為氧化合物 (CaOx) 來提供高容量。然而,在室溫下執行的可充電 Ca-O 2 電池尚未實現,因為 CaOx/O 2 化學反應通常涉及惰性放電產物,並且很少有電解質可以同時容納高度還原性的 Ca 金屬陽極和 O 2。

鑑於此,復旦大學彭慧勝院士、王兵傑副研究員、王永剛教授和南京大學周豪慎教授、浙江大學陸俊教授聯合報道了一種在室溫下可充電 700 次的 Ca-O2 電池。該電池依靠高度可逆的雙電子氧化還原來形成具有化學活性的過氧化鈣 (CaO2) 作為放電產物。使用耐用的離子液體電解質,這種雙電子反應是透過在室溫下促進 Ca 金屬陽極中的 Ca 鍍層-剝離以及改善空氣陰極中的 CaO 2/O 2 氧化還原來實現的。他們展示了所提出的 Ca-O2 電池在空氣中穩定,並且可以製成柔性纖維,這些纖維被編織成用於下一代可穿戴系統的紡織電池。相關研究成果以題為“A rechargeable calcium–oxygen battery that operates at room temperature”發表在最新一期《Nature》上。

【製備與表徵】

作者使用金屬鈣作為陽極,並使用定向碳奈米管(CNT)片作為空氣陰極(圖1a)。該電解質是 0.5 M 雙(三氟甲磺醯亞胺)鈣 (Ca(TFSI) 2) 溶解在離子液體 1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽 (EMIM-BF 4) 和二甲亞碸 (DMSO) 的 1:1 體積混合物中。他們選擇Ca(TFSI) 2作為鹽,因為它是市售的,並且已知TFSI−可以誘導可逆金屬陽極的富含氟化物的固體電解質介面(SEI)。離子液體EMIM-BF4用於加寬電壓視窗,並引入DMSO以增強所得電解質中Ca 2+和O 2的擴散率。對齊的碳奈米管片使得能夠只關注陰極反應機制,因為它可以直接使用,無需額外的粘合劑、導電劑和/或催化劑。當製成的電池放電時,放電產物的顆粒(直徑約100 nm)在排列好的CNT片上形成,然後在充電過程中完全分解(圖1b)。Ca-O2電池可以在室溫下工作超過700次迴圈,電流密度為1 A gCNT−1(0.1 mA cm−2),有限比容量為500 mAh gCNT−1,具有平坦的電壓平臺 約為 1.7 V(圖 1c)。

XRD資料表明主要放電產物是CaO2,其30.1°和38.9°處的主峰分別對應於CaO 2晶體的(101)和(110)反射。這一結果與選區電子衍射圖相符。充電時,CaO 2的特徵峰消失了,這意味著CaO2放電產物發生了可逆氧化。這一趨勢與後續迴圈(例如50次迴圈;圖1d)中的趨勢相似,表明電池反應具有可逆性。此外,放電樣品的飛行時間二次離子質譜(TOF-SIMS)深度剖析顯示了CaO 2 -(m/z=72)、CaO 2H -(m/z=73)和O 2 -(m/z=32)二次離子的三維分佈,這是CaO2的特徵(圖1e)。區分CNT網路和放電產物(CaO 2)的C-訊號的極化分佈表明,CNT空氣陰極的多孔結構在放電時得到了充分利用。值得注意的是,與XRD結果(圖1d)一致,在充電時,CaO2被完全分解,從而重新暴露出CNT陰極,這一點從TOF-SIMS深度剖析(圖1f)中消失的CaO 2二次離子可以得到證明。

圖 1. 室溫下可充電Ca-O2 電池,以CaO2 為主要放電產物

【機理研究】

然後,作者使用原位微分電化學質譜(DEMS)在1 A g −1 的恆定電流密度和 1000 mAh g −1 的容量下量化陰極反應(圖2a)。實驗結果表明放電過程主要基於雙電子轉移電化學反應(Ca 2++2e -+O 2→CaO 2;圖1b,插圖)。這表明在Ca-O 2電池中,O 2/CaO 2的雙電子化學反應是可逆的,這與人們認為Ca-O 2電池中發生的遲緩的四電子轉移反應相反。圖2b進一步證實了CaO2形成-分解是該Ca-O2電池中的主要反應。以CaO2作為放電產物的雙電子反應途徑,在熱力學和動力學上有利於Ca-O2電池的可逆性。微分電荷密度計算表明,與CaO(四電子反應途徑中的放電產物)相比,CaO 2與碳基空氣陰極表現出更好的電子轉移(圖2c),因此表明O 2被促進還原。然後使用密度泛函理論計算比較透過二電子和四電子轉移的O 2還原途徑(圖2d)。雙電子機制表現出較低的吉布斯自由能差在室溫下比四電子機制(ΔGCaO = −0.53 eV)好,主要歸因於CaO 2形成過程中不存在O-O鍵斷裂。作為逆反應,CaO 2的分解在最小充電電位3.36 V下也是可行的,與迴圈實驗一致(圖1b,c)。因此,2e−CaO2的形成-分解為在室溫下電化學可逆Ca-O2電池鋪平了道路。

圖 2. Ca-O2 電池的陰極反應涉及可逆雙電子 O2 /CaO2 化學反應

【電解質最佳化】

在檢查從重新充電的Ca-O 2電池中拆卸下來的陽極時,作者發現了新沉積的深灰色微尺度Ca(圖3a)。根據鈣氟比推斷,鈣與氟化鈣(Ca:CaF 2)的平均摩爾比為13:1(圖3a),這初步表明Ca-O2電池中存在可逆的鈣剝離-電鍍現象。低溫透射電子顯微鏡(CRYO-TEM)影象(圖3b-d)和X射線光電子能譜(XPS)深度剖面圖(圖3e)進一步證實,充電陽極由金屬Ca組成,表面覆蓋著一層富含CaF2的SEI。

圖 3. 最佳化的電解質有利於Ca-O2 電池的穩定執行

【應用】

得益於以離子液體為基礎的耐用電解質,Ca-O2電池在空氣或純淨的氧氣中表現出相似的行為(圖4a),在空氣中的迴圈壽命為450次(1 A g -1 和 500 mAh g -1)。作者試圖將Ca-O 2電池轉化為安全、可持續的可穿戴儲能解決方案,因為它的電化學效能、鈣金屬形成枝晶的低傾向性以及耐空氣離子液體電解質完全符合可穿戴電子裝置的要求。作為演示,作者在鈣沉積的碳奈米管纖維陽極上塗覆了離子液體凝膠電解質,然後在纖維外側包裹了排列整齊的碳奈米管陰極片,從而構建了柔性Ca-O2纖維電池(圖4b)。將鈣沉積到柔性CNT纖維上可避免使用過量的鈣金屬,也可避免傳統平面鈣電池中使用的整體鈣金屬加工性差的問題。當從0°彎曲到180°時,纖維電池繼續穩定放電,並在約1.7 V的電壓下保持穩定(圖4c)。作者使用商用編織機將這些纖維電池編織成了透氣、柔韌的電池紡織品(圖 4d),可為手機等電子裝置供電(圖 4e)。

圖 4. Ca-O2 電池適合實際應用

【應用】

本文報告了一種可在室溫下可逆操作的Ca-O2電池。研究表明,主導的Ca-O 2電化學反應可以依靠高效的雙電子O 2氧化還原,而不是緩慢的四電子過程。對Ca-O2電池陰極電化學的這一新認識有望為設計和篩選新的陰極材料和電解質開闢道路,從而進一步釋放鈣金屬的全部理論容量。該Ca-O 2電池具有迴圈穩定性,可製成柔性纖維,用於紡織品電池。本文的成果將把具有成本效益的鈣化學轉化為一種前景廣闊的可持續儲能技術。

來源:高分子科學前沿

宣告:僅代表作者個人觀點,作者水平有限,如有不科學之處,請在下方留言指正!

熱門資訊
  • 天宮空間站用上最先進晶片!美媒:美國最新航天器還在用30年前晶片 | 2024-01-31 01:22:50
  • 日媒:鋰空氣電池研發取得進展 | 2024-01-31 01:38:46
  • 我國自主研製四座氫內燃飛機原型機在瀋陽完成首飛 | 2024-01-31 02:13:50
  • 訊飛星火釋出語音大模型 劉慶峰:大模型發展,應用是硬道理 | 2024-01-31 02:26:56
  • Nature | 阿爾茨海默症具有“可傳播性(transmissible)”? | 2024-01-31 02:31:45
  • 英偉達特供晶片賣不動了?黃仁勳穿上東北花襖“示好”,中國大廠難掩AI野心 | 2024-01-31 02:46:49
  • 聯想拯救者 Y7000P 遊戲本 RTX 4070 版本開售,售價 8999 元 | 2024-01-31 03:48:17
  • 蘋果 Apple Vision 頭顯媒體評測解禁:驚豔的科技,迷茫的未來 | 2024-01-31 04:04:11
  • 獨家對話CEO,解密華強北Vision Pro,最難“山寨”的蘋果產品! | 2024-01-31 04:11:16
  • 前蘋果設計主管曾希望將MacBook Pro和MacBook Air變成一款產品 | 2024-01-31 04:11:28
  • 機械革命15.3英寸翼龍15Pro遊戲本曝光:AMD R7 8845H + RTX 4060 | 2024-01-31 04:24:10
  • 谷歌有望開放 Ultra HDR 格式,允許第三方應用拍攝高動態照片 | 2024-01-31 04:27:33
  • 安卓影像之王!小米14 Ultra下個月釋出,一英寸主攝+可變光圈! | 2024-01-31 06:10:20
  • 小米王騰:Redmi K70系列銷量已突破200萬臺 | 2024-01-31 06:10:30
  • “有人嫌棄有人愛”,不同航司對MAX 10飛機態度不一 | 2024-01-31 06:26:04
  • 郭明錤:蘋果最快明年推出新設計機型,iPhone今年出貨將顯著衰退 | 2024-01-31 06:55:59
  • AR 野心遭遇 VR 現實:蘋果Vision Pro頭顯影片透視功能並非完美 | 2024-01-31 06:56:08
  • 138億年前面的時間是什麼?465億光年外面的空間又是什麼? | 2024-01-31 06:56:16
  • 麒麟晶片加持!新款Pocket 2將至,華為能否一雪前恥? | 2024-01-31 07:10:56
  • 讓NAS使用體驗更上一層樓!西部資料紅盤Plus/ProNAS硬碟評測 | 2024-01-31 07:11:04
  • 長續航與輕薄也可兼得,榮耀Magic6 Pro 續航評測 | 2024-01-31 07:11:40
  • 訊息稱三星 Galaxy Z Flip 6 手機將配備更大電池,容量達4000mAh | 2024-01-31 07:20:32
  • 工業設計之美!努比亞Z60 Ultra上手(外觀篇) | 2024-01-31 07:33:48
  • 4000億天價薪酬被判無效,馬斯克怒了 | 2024-01-31 07:44:23
  • 梁汝波批位元組組織平庸化:離職員工1個月能幹位元組半年的活 | 2024-01-31 07:44:30
  • AM: 可耐2000 °C!具有超高強度和高熱絕緣效能的多孔高熵陶瓷 | 2024-01-31 07:44:42
  • 郭明錤預期蘋果或是“今年衰退最大主流手機廠商” | 2024-01-31 08:17:15
  • 谷歌母公司Q4營收863.1億美元,淨利206.9億 | 2024-01-31 08:17:18
  • 德國警方調查盜版電影網站 意外收穫5萬個“十年陳”比特幣 | 2024-01-31 08:17:21
  • 馬斯克:人類首次植入腦機介面晶片,用意念操作裝置 |【經緯低調分享】 | 2024-01-31 08:17:25
最近發布
突發!TVB知名女星毫無預警宣佈與未婚夫分手,結束長達八年情 面對被黑,蘭姐強勢迴歸。小菲狀態好轉,發宣告。更多內幕揭曉! 中國男籃決戰日本隊,首發五人曝光,廣東隊大贏家,徐傑第一後衛 孫穎莎奪女單冠軍!採訪謙遜立足拼,劉國樑給中國選手頒獎笑開花 分析 馬威交易取消後的影響:湖人還有什麼選擇?只能等休賽期? 火箭vs猛龍前瞻:範弗裡特有望復出戰舊主,火箭欲終結六連敗 梅西轟動宏都拉斯!當地媒體:這是世紀體育盛事! 登記開啟!金中、29中、13中等校動了! 開年暴擊!南京又一家機構跑路了? TechInsights:AI PC未能提振筆記本市場 2024年僅增長5% 睡覺時突然腿抽筋,就是缺鈣?錯!還有這4個原因,別輕易忽視了 泡泡瑪特又贏麻了!此前被調侃是“境內最大的博彩公司” 再也不用扎手指!5億糖尿病患者有福了 傳《尼爾:機械紀元》續作、新《古墓麗影》今年公佈 有工作經驗的畫素畫師如何寫簡歷? 離譜!Xun被搶3條龍,JDG仍然獲勝!Peyz力挽狂瀾,WBG痛失好局 將耗死在國際空間站?59歲美滯留女宇航員求救:喪失重要身體機能 華為FreeClip耳機玫瑰金開售 開放式聆聽設計 CBA俱樂部杯-山西淘汰北控晉級4強 原帥18分 小紅書上移民的中產:曾經北京七套房, 羨慕海外一張床, 如今卻...... 不可抗力停課2天以上退一半保教費,佛山幼兒園收費新規釋出 紅棉襯醉美,2020番順醉美青餅評測 華為FreeClip耳夾耳機玫瑰金配色開售:1299元 64歲寧波老闆,跨界無數次,給員工發8億,即將擁有第三家IPO? 卡友資訊股東持股情況變動 廣州“城市合夥人”:城市與人才的雙向奔赴 有人說孫穎莎粉絲是飯圈文化的時候 卻有些人用真金白銀愛孫穎莎! 男生剪“短髮”髮型乾淨利落,試試這3款,剪完帥氣提升顏值! 7個臀部訓練最佳動作,打造迷人的蜜桃臀! 偉大的4-2!林詩棟奪冠:新科世界第1誕生、超越王楚欽,狂攬3冠 新疆完美了!新小外強於皮特森+黑根斯,承認補強大外良性競爭! 林詩棟奪男單冠軍!採訪大談不容易太謙遜,單獨拍照露出笑容! 國乒最新戰報!林詩棟第2局11-8,衝3冠王,梁靖崑救2局點仍輸球 替補奇兵!快船大將5記3分助隊贏球 哈登好幫手 爆冷!北控男籃吊打奪冠大熱門球隊,外援決定比賽的走向 官宣離任,胡明軒宣佈重要決定,廣東宏遠遺憾,杜鋒祝福 又一個賈德松!崔康熙看人很準,魯媒:卡約又要錯過中國聯賽了 劉國樑憔悴!黑眼圈很重,擋住蒯曼被提醒,孫穎莎王楚欽被裁判整 林詩棟逆轉梁靖崑奪冠,成就三冠王,綜合實力更加突出 CBA最新外援註冊資訊,遼籃4人,新疆補充新援,廣東男籃放棄萊斯 大滿貫收官獎金排名:林詩棟三冠60萬第1,孫穎莎第2王曼昱10萬第9 臺灣律師分析大S遺產劃分,S媽要錢得看汪小菲臉色,打臉光頭安排 臺媒曝大S家人鬆手,讓出撫養權給汪小菲,希望馬筱梅善待孩子 二線白酒暴雷,狼真的來了! 搭上比亞迪,自動駕駛獨角獸,利潤大增170%! 炸裂!外資吹響“加倉中國”集結號背後:科技格局重塑與資產重估 這波夢幻西遊副本積分兌換真是血虧,四賜福的山賊值得買嗎? 《星戰亡命之徒》高階美工又回到CDPR 開發《巫師4》 《哪吒2》登陸北美,首映禮現好萊塢!有觀眾哭花眼妝:特效超預期,買票靠搶 曝張蘭被封年損失近4億,麻六記絕地自救太壯觀,員工曬張蘭近況

©2024 時時頭條 版權所有

隱私政策 | 服務條款 | 聯繫我們