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Carbon Energy:喝完咖啡,锂电池更有劲儿!

已有 1188 次阅读 2020-4-30 10:47 |系统分类:论文交流

【研究背景】

锂离子电池具有高能量密度,长循环寿命和宽工作温度等优势,是目前最具应用前景的电化学储能设备。然而其锂离子脱嵌的储能机制通常伴随着缓慢的动力学过程,使得锂电池呈现出较低的功率密度。锂碘电池由于具有快速的氧化还原电对(I- /I3-)而有望突破传统锂电池缓慢动力学的限制, 其理论比容量高达211 mAh·g-1。同时,这些碘离子 (I- /I3-)为快速吸附脱附的赝电容储能提供了契机。然而,与锂硫电池相类似,锂碘电池也存在以下问题:1)碘的高度溶解性导致其较低的利用率;2)充放电过程中,碘的“穿梭效应”将产生一系列的副反应和腐蚀金属锂负极表面。在碘正极和隔膜之间引入间层是解决上述问题的有效手段之一,如图1所示。间层可以有效的将溶解的碘离子限制在正极区域内,从而避免活性物质的损失和穿梭效应的发生。更重要的是,这些溶解的碘族群(I-, I2和I3-)可以在间层表面通过快速吸附脱附产生赝电容储能。事实上,氮杂石墨烯,碳纳米管和MXene (Ti3C2Tx)等材料已经作为间层被广泛研究,但这类材料通常伴随着复杂的制备过程,昂贵的成本,不利于锂碘电池的商业化应用。

图1:锂碘电池中限制层的储能机制


【成果展示】

澳大利亚格里菲斯大学张山青教授课题组以咖啡作为前驱体,采取“盐”热处理的方式构建了蜂巢结构的碳材料,并将其作为限制层引入到碘正极和隔膜之间。间层拥有发达的拓扑骨架结构,高的反应面积,丰富的杂原子和优异的导电性。正是由于间层的这些独特性质,使得碘族群(I-,I2和I3-)可以在间层表面通过物理化学吸附进行快速脱嵌,继而产生赝电容和电化学转换反应的协同储能机制。这种协同储能机制使得锂碘电池实现了高能量,高功率和长循环寿命的特性。在10 C(1 C=211 mA g-1)的倍率下,可以获得224.5 mAh g-1的可逆容量。令人振奋的是,当倍率提到到50C时,该电池在稳定循环4000周之后,其放电比容量依然可以维持在120.2 mAh g-1。如此优异的电化学性能主要归结于间层对碘离子的吸附(孔径物理吸附和杂原子的化学吸附)。基于此,作者采用密度泛函理论计算揭示了杂原子基团和LiI3之间的强结合,解释了其优异的化学吸附机制。


【内容简介】

图2:功能性碳间层的合成示意图


该工作从锂碘电池存在本征问题出发,以咖啡作为前驱体,通过“盐”热处理的方式构建了功能性的碳间层材料,从而有效的抑制了碘的溶解和穿梭效应,并实现了锂碘电池高能量和高功率输出的目的。功能性碳间层的设计方法新颖,即通过晶体生长过程中Na+和Cl-的团聚构建蜂窝状结构,为多孔材料的合成提供了新的思路。同时,咖啡成本低廉,原材料丰富,可用于大规模的生产。


相关论文信息

论文原文在线发表于CarbonEnergy

论文标题:

Honeycomb‐like carbon materials derived from coffee extract via a “salty” thermal treatment for high‐performance Li‐I2 batteries

论文网址:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.40

DOI:10.1002/cey2.40




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