可充電鋁電池(RABs)作為新一代儲(chǔ)能體系,因其具有高安全性、高能量密度及原料來源廣泛低成本等優(yōu)勢(shì)受到研究者們的廣泛關(guān)注。然而由于鋁離子(Al3+,364 C mm-3)的高本征電荷密度(六倍于鋰離子),使得其在傳統(tǒng)電極材料上的反應(yīng)需要克服強(qiáng)庫(kù)侖力的作用,這往往會(huì)造成較大的晶格應(yīng)變,產(chǎn)生電極材料粉化和較差的循環(huán)穩(wěn)定性,這也是RABs正極材料的核心挑戰(zhàn)。
【工作介紹】
針對(duì)這一挑戰(zhàn),近日北京工業(yè)大學(xué)胡宇翔教授團(tuán)隊(duì)、李洪義教授等人提出了一種超晶格型新型正極材料體系,以超晶格型硒化鎢正極材料(S-WSe2)為例研究,基于超晶格材料帶來的穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展的層間間距,有效釋放高電荷密度Al3+造成的電極材料不可逆損壞的應(yīng)力應(yīng)變。實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性(在2 A g-1下循環(huán)超過1500圈容量仍可以達(dá)到 110 mAh g-1)。并且通過非原位XPS和TEM以及原位XRD和Raman表征探究了其充放電過程中鋁離子的嵌入脫出機(jī)制。該工作成果以“Superlattice-Stabilized WSe2 Cathode for Rechargeable Aluminum Batteries”為題發(fā)表在《Small Methods》上,崔方艷為本文第一作者。
示意圖1. 傳統(tǒng)WSe2和超晶格型S-WSe2電極經(jīng)過長(zhǎng)期循環(huán)后的結(jié)構(gòu)演化。
【核心內(nèi)容】
層狀過渡金屬二鹵代化合物(TMDCs)具有適當(dāng)?shù)匿X-硒/硫鍵、可調(diào)節(jié)的層間間距和理論上豐富的離子容納能力,近年來受到了廣泛關(guān)注。其中,硒化鎢(WSe2)因其理論上的高容量、高導(dǎo)電性、寬的層間空間和合適的金屬-硒鍵合作用而在金屬離子電池中具有良好的應(yīng)用前景,但未在RABs中報(bào)道過。然而,強(qiáng)靜電力與固有的高電荷密度Al3+的相互作用仍然會(huì)導(dǎo)致不可逆的破壞和活性材料的粉碎/溶解(示意圖1a)。因此,開發(fā)一種穩(wěn)定WSe2結(jié)構(gòu)的新策略,對(duì)于新一代儲(chǔ)能體系RABs的研究是極其必要的。超晶格型化合物是由兩個(gè)(或兩個(gè)以上)交替周期性成分組成的材料,特別適合容納高電荷密度的活性離子。因此,本文采用簡(jiǎn)單的化學(xué)合成方法在TMDCs(以WSe2為例)中引入有機(jī)分子來構(gòu)建超晶格型正極達(dá)到Al3+的可逆嵌入/脫出,實(shí)現(xiàn)電極的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。
圖1. 超晶格型S-WSe2的表征。a)S-WSe2和原始WSe2的XRD譜圖。b)W4f,c)Se 3d,d)Na 2p在S-WSe2中的XPS譜圖。e)SEM圖,f)TEM圖。g)S-WSe2的HR-TEM圖,h)層間距離剖面圖。 i) S-WSe2的HAADF-STEM圖和mapping。
圖2. S-WSe2和WSe2的電化學(xué)性能測(cè)試。
a)掃描速率為0.50 mV s-1時(shí)S-WSe2在0.25 V-1.95 V的CV曲線,b)電流密度為100 mA g-1時(shí)的放電-充電曲線,c)恒電流間歇滴定技術(shù)(GITT)曲線,d)與其他典型的RABs正極材料的倍率性能比較,e)電化學(xué)阻抗譜(EIS)曲線及其擬合結(jié)果,f)S-WSe2在500 mA g-1時(shí)的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性,g)S-WSe2在2 A g-1的高電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。
圖3. S-WSe2正極在RABs中的反應(yīng)機(jī)制研究。
本研究提出了一個(gè)超晶格型S-WSe2作為典型正極并研究其鋁電池正極性能,發(fā)現(xiàn)其長(zhǎng)期穩(wěn)定性大大提高。通過DFT模擬驗(yàn)證,在S-WSe2中引入陰離子有機(jī)層(SDBS)不僅能抑制晶體應(yīng)變,提高晶體穩(wěn)定性,減少活性物質(zhì)溶解,還能擴(kuò)大層間空間,降低擴(kuò)散能壘,提高擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)行為。相應(yīng)的,S-WSe2在TMDCs中表現(xiàn)出最佳的循環(huán)穩(wěn)定性,顯著增強(qiáng)的倍率性能。同時(shí),通過各種原位/非原位表征詳細(xì)揭示了超晶格型S-WSe2電極的反應(yīng)機(jī)制。綜上,這種超晶格結(jié)構(gòu)和有機(jī)插層策略為克服RABs固有的弱點(diǎn),并開發(fā)高穩(wěn)定性電極開辟了新的方向。
審核編輯:郭婷
-
鋰離子
+關(guān)注
關(guān)注
5文章
537瀏覽量
37608 -
電池
+關(guān)注
關(guān)注
84文章
10563瀏覽量
129484
原文標(biāo)題:超晶格型過渡金屬二鹵化物正極材料實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性可充電鋁電池
文章出處:【微信號(hào):Recycle-Li-Battery,微信公眾號(hào):鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng)】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論