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Carbon Energy:水系电池材料中水分子的作用探讨

已有 1518 次阅读 2020-11-5 10:53 |系统分类:论文交流

【研究背景】

近年来,储能设备的需求日益增长,其应用场景也催生了储能设备的多样化。可充电电池是目前最成功的技术之一,然而,由于使用有机电解液,电池的安全性以及成本面临了较大的挑战。水系电解液体系以其廉价以及安全的特性吸引了广泛的研究,在特定的应用环境下表现出巨大的潜力。水分子存在高极性,小尺寸以及氢键作用,作为电解液的时候表现出与有机电解液截然不同的特征。本综述从水分子在水系电池材料中的作用出发,讨论了水合阳离子的共嵌入,晶格水对离子传输和材料电化学性能的影响,并对水系电池中水分子作用研究进行了展望和总结。


【内容概述】

      西北太平洋国家实验室肖必威研究员系统分析总结了水作为电解液溶剂时与阳离子的作用,水合阳离子共嵌入,晶格水对材料电化学性能的影响的研究进展。


首先,作者介绍了水作为溶剂时与阳离子的水合过程,水合能与阳离子水合半径、阳离子电荷数的相关性。通常而言,阳离子电荷数相同时,水合能随着水合半径增大而增大。电荷数越大,水合能同样增大。这一特性导致水合阳离子在特定情况下由于无法解离而共同嵌入材料,且共嵌入现象在多价阳离子电池中表现尤为突出。此外,由于水分子尺寸小,在材料合成过程中容易进入结构内部以晶格氧的形式存在。这两种类型的水分子都在阳离子传输过程起到了至关重要的作用。

文章总结了上述两种水分子在电化学过程中所扮演的多种角色。第一,由于晶格水或者水合阳离子的存在,某些层状材料的层间距扩大,因此提高了阳离子在材料中的传输速率。第二,由于高价阳离子在材料中的传输通常会受到静电排斥,而水合阳离子由于阻挡了静电作用,因此可以提高阳离子的传输速率。第三,由于水分子中的氢和某些材料中的晶格氧存在氢键作用,因此能够稳定材料结构,防止材料结构坍塌,甚至能引起一些反常的现象,比如尖晶石到层状的转变,通常认为层状向尖晶石的转变更有可能发生。第四,晶体内部的水的存在可能会改变材料内部过渡金属的d轨道分裂趋势,进而影响材料的电化学性能,典型的例子是类普鲁士蓝结构中的由于水的存在而导致的性能变化。除此之外,由于水合阳离子在不同配位数下可能表现出不同的拓扑结构,进而改变水合阳离子嵌入的动力学过程,因此,水的存在影响了材料界面的电荷转移。

总之,水分子的存在使得水系电池材料表现出了相对于其它体系独特的性质,合理的利用这些特质可以将水系电池材料的性能进一步提升,为水系电池的应用提供新的机遇。

【作者简介】


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肖必威,西北太平洋国家实验室Staff Scientist,主要承担美国能源部电力实验室(Office of Electricity)项目工作。2017年毕业于加拿大西安大略大学孙学良教授课题组。目前主要研究方向为锂离子、钠离子以及锌离子电池材料,已发表论文47篇,他引次数达2020次,H因子26,其中包括Angew. Chem., Adv. Mater., Nat. Commun., Adv. Energy Mater., Chem. Mater, Nano Energy等杂志。


相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy,点击“阅读原文”查看论文

论文标题:

Intercalated water in aqueous batteries

论文网址:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.55

DOI:https:10.1002/cey2.55





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