碳化和硫化合成的的海綿狀複合材料將提高電化學儲能性能

2021-01-07 電子發燒友
打開APP
碳化和硫化合成的的海綿狀複合材料將提高電化學儲能性能

佚名 發表於 2020-04-07 14:15:33

復旦大學Dalin Sun教授課題組通過沸石咪唑鹽骨架的熱還原，碳化和硫化而合成的@GO前驅體製備了硫化鈷量子點（Co9S8 QD），中孔中空碳多面體（HCP）基體和氧化石墨烯（rGO）包裹片組裝而成的海綿狀複合材料。

如圖1所示。具體而言，將尺寸小於4 nm的Co9S8 QD均勻地嵌入HCP基體中，該基體被封裝在大孔rGO中，從而產生具有強耦合效應的雙碳約束分層複合材料。實驗數據與密度泛函理論計算相結合表明，偶聯的rGO的存在不僅可以防止顆粒的聚集和過度生長，而且可以擴展基體晶體的晶格參數，從而增強鈉存儲的反應性。得益於分層的孔隙率，導電網絡，結構完整性和組件的協同效應，用作無粘合劑陽極的海綿狀複合材料表現出出色的鈉存儲性能，具有出色的穩定容量（循環500次後容量從628 mAh g-1到300 mA g-1）和出色的倍率性能（1600、3200和6400 mA g-1電流密度下分別有529、448和330 mAh g-1的容量）。

（Co9S8 QD@HCP）@rGO海綿狀複合材料的製備過程示意圖

濟南大學Changzhou Yuan教授和南陽理工大學樓雄文教授合作通過簡便的組裝和硫化策略合成了由Fe1-xS填充的多孔碳納米線/氧化石墨烯（Fe1-xS@PCNWs/rGO）構成的雜化膜，如圖2所示。所得混合膜表現出高柔韌性和結構穩定性。多維膜結構具有多個優點，包括提供有效的電子/離子傳輸網絡，緩衝Fe1-xS納米顆粒的體積膨脹，減輕多硫化物的溶解以及實現高效鈉存儲的優異動力學。當被評估為鈉離子電池的自支撐陽極時，Fe1-xS@PCNWs/rGO電極在0.1 A g-1的連續循環100次後表現出優異的可逆容量（573-89 mAh g-1）。更具競爭力的是，基於這種柔性Fe1-xS@PCNWs/rGO陽極的鈉離子電池具有出色的電化學性能，從而突出了其在多種柔性和可穿戴應用中的巨大潛力。

Fe1-xS@PCNWs/rGO混合紙的構造示意圖，以及其外觀和柔韌性（彎曲，捲起，扭曲和摺疊）的圖像

德國馬克斯·普朗克固體研究所Yan Yu教授課題組表明通過合理的建立有效的電子/離子混合導電網絡的電極設計，可以克服鈉離子電池轉化反應引起的問題。已經開發了通過金屬甘油酸酯的熱硫化製備分級碳包覆金屬硫化物（MS⊂C）球，如圖3所示。該球在100 mA g-1電流密度下表現出777 mAh g-1的高度可逆鈉存儲容量，出色的倍率性能（在4000 mA g-1電流密度下具有410 mAh g-1的容量）和非常優異的循環穩定性。

MS⊂C球的製備過程

青島大學Shandong Li教授課題組報導了一種使用溶劑熱方法，結合硫化策略來設計FeS2@C雜化物的新型多層體系結構，該體系由超薄納米薄片的構建塊構建而成，有利於快速電化學能量存儲。電化學測量表明，多層結構的FeS2@C雜化物可實現具有高比容量、出色的倍率性能和出色的循環穩定性的可逆鈉、鉀和鋁離子存儲過程。

中科院金屬所成會明院士課題組報導了使用多孔Co3S4微球作為陰極材料的高度可逆鋁離子電池，如圖5所示。微觀結構使Co3S4的電化學性能優於迄今為止報導的用於鋁離子電池的大多數其他陰極材料。進一步結果顯示，該電池在陰極中經歷了Co3+/Co2+作為氧化還原對的Al3+嵌入/脫出，並在陽極中進行了金屬鋁的電化學剝離/電鍍。作者還發現Al3+在Co3S4本體中的擴散是限制放電/充電電流密度的關鍵動力學步驟。這項工作是在開發用於高性能鋁離子電池的低成本陰極材料方面邁出的一步，並有助於更好地了解鋁離子電池化學性質。

溶劑熱法製備Co3S4微球的示意圖

澳大利亞臥龍崗大學郭再萍教授組首次報導了硫化鈷和石墨烯（CoS@G）複合材料作為鉀離子電池的陽極電極，如圖6所示。該複合材料具有均勻錨固在石墨烯納米片上的CoS納米簇的互連量子點。CoS量子點納米簇和石墨烯納米片的共存賦予了複合材料更大的表面積、高導電網絡、強大的結構穩定性和出色的電化學儲能性能。在500 mA g-1下循環100次後仍有310.8 mAh g-1的容量，其倍率性能優於同等的鈉離子電池。這項工作表明CoS@G陽極材料的開發為擴展鉀離子電池合適的陽極材料庫提供了基礎。

兩步合成硫化鈷和石墨烯（CoS@G）複合材料的示意圖

東吳大學Yanguang Li教授課題組開發了一種通過簡便的溶劑熱方法來製備VS2納米片，如圖7所示。單個納米片的特徵是具有幾個原子層厚度，並且它們以最小化的堆疊進行分層排列。電化學測量表明，VS2納米片能夠快速、穩定地存儲Na+或K+離子。最引人注目的是，Na+和K+均具有較大的可逆比容量和出色的循環穩定性，並且優於大多數現有電極材料。密度泛函理論計算進一步支持了這項研究的實驗結果，表明VS2的層狀結構具有較大的吸附能，並且對於嵌入鹼金屬離子具有較低的擴散勢壘。

VS2 NSA合成過程的示意性和光譜表徵

美國馬裡蘭大學王春生教授課題組將ReS2納米片固定到氮摻雜的碳納米纖維（N-CNF）上，形成用於鹼金屬（Li，Na和K）離子電池陽極的柔性ReS2/N-CNFs紙，如圖8所示。［9］碳納米纖維（CNFs）可以提高電導率，摻雜的氮可以吸收轉化反應產生的硫和多硫化物。結果顯示，ReS2/N-CNFs複合陽極在100 mA/g的LIB中400次循環後仍具有430 mAh/g的可逆容量，在100 mA/g的鈉離子電池中循環800次後具有245 mAh/g的可逆容量，以及在以50 mA/g進行100次循環後的鉀離子中具有253 mAh/g。該性能是最新報導的所有ReS2中最好的性能之一。另外，在不同鹼離子電池中ReS2上固體電解質界面的形成與庫侖效率也得到了系統的研究。

責任編輯：gt

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴

相關焦點

  • 基於聚合物-分子半導體全有機複合材料的高溫介電儲能薄膜
    然而，聚合物介電材料的絕緣性能對溫度極其敏感，在高溫、高電場作用下洩漏電流呈指數上升、放電效率急劇下降，最終造成電容器過熱損壞。目前主流商業薄膜電容器僅在105攝氏度以下工作，長期工作溫度低於70攝氏度。另一方面，隨著電子器件和電力、能源設備功率不斷增大以及對小型化和緊湊型功率模塊的持續追求，電子材料的工作溫度要求快速提高，薄膜電容器介電材料已成為高溫電子器件和設備的技術瓶頸。
  • 張會剛:電化學儲能材料與原理
    以電化學儲能技術為例，在傳統化學化工專業培養計劃中，學生的電化學基礎是在物理化學課程中建立，缺乏對固體和半導體的認識；與材料和固體相關的專業培養計劃中，電池技術所需的溶液化學和界面化學基礎不足。圖片來源：Pixabay南京大學於21世紀初，在材料系的基礎上成立現代工程與應用科學學院，下設新能源材料與器件專業。
  • 綜述:MOFs材料如何助力電紡納米纖維改善性能?
    此外，MOF材料的結構穩定性和導電性難以滿足電池材料的嚴格要求。　　為了進一步拓展納米複合材料的應用，一維納米複合材料及其衍生物的設計與製備受到了越來越多的關注。例如，可將MOFs/納米纖維碳化，製備MOFs衍生的碳納米纖維。MOFs/納米纖維（M-NFs）及其碳化產物含有豐富的活性位點，有利於提高反應活性。
  • 高強高密度聚醯亞胺海綿材料
    結構；孔隙率；壓縮強度；熱穩定性；碳化由電紡纖維製成的3D纖維海綿因其網絡多孔結構，具有重量輕、密度低、孔隙率高等特點，在溶劑吸收、油水分離、隔熱及隔音、藥物及催化劑載體等領域具有良好應用前景。然而，絕大多數的3D海綿都存在較差的機械性能，極大限制了其實際應用。
  • 球形、板狀、棒狀、角狀、海綿狀納米顆粒
    球形、板狀、棒狀、角狀、海綿狀納米顆粒納米粉體也叫納米顆粒，一般指尺寸在1-100nm之間的超細粒子，有人稱它是超微粒子。它的尺度大於原子簇而又小於一般的微粒。按照它的尺寸計算，假設每個原子尺寸為1埃，那麼它所含原子數在1000個-10億個之間。
  • 電紡CA納米纖維墊增強HPL複合材料的製備及其性能研究
    在本研究中，通過靜電紡絲法製備了非織造醋酸纖維素（CA）納米纖維墊，並將CA納米纖維摻入高壓層壓板（HPLs）芯層中。當CA的濃度為16wt％時，SEM圖像顯示CA納米纖維氈的形貌最好，平均直徑為654±246nm。
  • 南京工業大學吳宇平：高安全電化學儲能體系的探索
    本次大會由中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會、中國科學院電工研究所儲能技術組和中國儲能網聯合承辦。 在25日下午的「新型儲能技術及應用 」專場，南京工業大學教授吳宇平分享了主題報告《高安全電化學儲能體系的探索》。會務組對發言人的演講速記做了梳理，方便大家會後交流、學習，以下是速記全文：吳宇平：大家下午好。
  • 電化學價態調控—提升氧化釩電極材料循環穩定性的新思路
    絕大部分清潔能源（如太陽能和風能）在時間和空間上分布不均，因而有效利用這些能源需要可靠的能量存儲裝置。超級電容器是一種具有快速存儲及釋放能量的儲能器件，在清潔能源存儲等領域有很好的應用潛力。電極材料是影響超級電容器性能的重要因素，決定了超級電容器的能量存儲容量。氧化釩價格低廉，理論電容值高，是備受關注的高性能電極材料。然而氧化釩存在穩定性差等問題，嚴重製約了其商業化應用。
  • 織物複合電極在柔性電化學儲能器件中的機遇與挑戰
    與這類傳統電極相比，將電極材料塗覆在織物基底製備織物複合電極可以極大程度上提高電化學儲能器件的柔性與電化學性能。究其原因，織物兼具良好的柔韌性、輕重量、大比表面積、材料和結構多樣性、廉價等特性。作者從電極結構、製備方法、機械性能、以及電化學性能等方面將織物複合電極與傳統電極進行比較，同時概述了織物基電化學儲能器件的結構及其在柔性、可穿戴電子系統中的集成方法。最後，作者闡明了織物複合電極當前面臨的技術挑戰，並指明了織物基電化學儲能器件未來研究與發展方向。
  • 將廢塑料轉化為碳納米薄片，實現卓越的電容儲能
    （PP）高效碳化為CNS。在密閉空間碳化過程中，即使催化劑用量很少，也能保證CNS的超高碳產率（62.8%）和較薄的厚度（4-4.5nm）。活化後的活性炭納米片（ACNS）具有大的比表面積（3200m2 g-1）和大的孔體積（3.71cm3g-1）的層次結構。基於ACNS的電極在0.5ag1時具有349fg-1的高比電容。
  • 國家能源局:鼓勵開展多種儲能示範應用 提升電化學儲能技術經濟...
    以下為答覆原文：你們提出的關於加快推進電化學儲能產業發展的建議收悉，現答覆如下：儲能作為戰略性新興產業，是增強能源系統供應安全性、靈活性、綜合效率的重要環節，是支撐能源轉型的關鍵技術之一。電化學儲能是除抽水蓄能以外，應用最為廣泛的儲能形式，我們積極支持電化學儲能技術產業的發展。
  • 閻興斌課題組：Water-in-salt電解液在電化學儲能器件中的應用
    背景介紹電化學儲能裝置發展迅速，但目前商用的非水器件儘管可以展現出足夠寬的電化學窗口（ESW），但其易燃性和毒性等限制了其進一步發展。而水系電解液儘管沒有這方面的擔憂，但由於水的分解窗口（1.23）導致傳統的稀水系電解液的ESW又不能滿足絕大部分電極材料進行電化學儲能的需求。因此WISE應運而生，它在水系體系的基礎上，大大拓寬了電解液的電壓窗口，進而拓展了水系器件的電極材料的選擇範圍，有效地提升了器件的能量密度，並在SEI存在的情況下優化了器件的循環穩定性。
  • 木質素在儲能領域中的應用研究進展
    結果表明，在能源儲存裝置中使用木質素，不僅提升了儲能裝置的循環穩定性、延長了使用壽命，而且降低了生產成本、減輕了化學汙染。最後，為進一步提升木質素基儲能裝置的能量存儲和輸出效率，對未來木質素基儲能材料面臨的挑戰和可能的發展方向進行了展望。
  • 「十四五」制約電化學儲能發展的難點在哪裡?
    「十三五」時期我國電化學儲能發展歷程及市場動態我國電化學儲能裝機持續增長，但是增速卻呈波浪式前進。2015~2019年，我國電化學儲能裝機從106兆瓦增至1709兆瓦，增加了15倍。僅僅緩解棄風棄光實際上是電化學儲能的「大材小用」。相比煤電，電化學儲能具有更強的靈活性，在調頻、黑啟動、快速調峰領域前景廣闊。目前，部分地方為了降低棄風棄光率，將儲能作為風電場（光伏電站）建設的必備配套設施。根據行業初步估計，若僅僅依靠電價差獲取收益，電化學儲能回收成本的電價差需要達到0.7元/千瓦時左右。
  • 電化學儲能行業專題報告:千億賽道冉冉升起
    根據上述假設，2021-2025 年全球分布式光 伏自發自用對電化學儲能的累計需求將達到 350GWh，2025 年全球分布式光伏自發自用對 電化學儲能的需求將達到 130GWh。峰谷價差套利：1）用電量數據主要包括中國、美國、德國、日本、澳大利亞和韓國，2019 年度上述 6 國的用電量約 12.4 萬億度電，約佔全球用電量的 47.98%；2）儲能配比假設遠 期目標可以達到 1%以上；根據上述假設，2021-2025 年上述峰谷價差套利對電化學儲能的 累計需求將達到 338GWh，2025 年全球峰谷價差套利對電化學儲能的需求將達到 98GWh。
  • ACS Omega:生物質快速催化分解的多孔石墨烯狀碳用於儲能應用
    一種用於合成三維多孔石墨烯狀碳材料的一步法。首先，將循環的纖維素前體用飽和的硝酸鎳溶液浸漬，然後在氮氣氛中碳化。通過熱處理，快速的熱分解會導致生物質源的原始細胞壁結構破裂，而鎳則充當促進石墨化的催化劑。隨後的酸蝕刻工藝去除了鎳顆粒，並在結構中引入了孔。碳材料的最終微觀結構，由多孔石墨烯組成狀片材，或可用於電化學儲能應用。
  • 【科研進展】多相碳納米纖維/聚乙烯複合材料介電性能
    研究背景聚乙烯是應用最廣泛的工程塑料之一，具有諸多優良性能，如良好的加工特性、較好的耐化學試劑性能、高介電強度、高力學性能和低生產成本等，因此，聚乙烯已普遍應用於眾多工業領域，
  • 電化學儲能專題報告:電化學儲能興起,鐵鋰出海正當時
    2018 年，我國新建儲能項目裝機規模為 23MW，總體來說還處於較低的水平。在經 濟性較好的抽水儲能受到地理的限制之後，幾乎已陷入停滯的階段。截止 2018 年， 累計達到 312MW，未來增長空間十分廣闊。日周期的匹配需求創造廣闊電化學儲能市場空間。電化學儲能包括鉛酸電池，鈉硫 電池和鋰電池三大技術路徑。
  • 複合材料的基本性能
    【學員問題】複合材料的基本性能？　　【解答】複合材料中以纖維增強材料應用最廣、用量最大。其特點是比重小、比強度和比模量大。例如碳纖維與環氧樹脂複合的材料，其比強度和比模量均比鋼和鋁合金大數倍，還具有優良的化學穩定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。
  • 齊齊哈爾大學：姑娘果皮衍生分層多孔碳，可增強電容式電化學儲能
    本文要點： 通過炭化和KOH活化法從未充分利用的姑娘果皮中獲得多孔碳成果簡介 本文，齊齊哈爾大學Dawei Chu等研究人員在《ACS Appl.由於多孔性和高比表面積，環保型多孔碳具有335f/g的良好比容量，而且基於HPC的對稱裝置具有22.3wh/kg的優越能量密度。本研究不僅為姑娘果皮的回收利用提供了一條經濟實用的途徑，而且開發了一種生態友好的方法來獲得用於增強電容電化學儲能的分級多孔炭。