哈工大:大幅提升電極性能,-30℃也能較好使用

2020-11-02 材料material

編輯推薦:本文針對鋰電池負極在低溫下較差的動力學能力,提出Sn離子摻雜嵌入層狀鈦酸鹽材料中,大幅提高了負極在低溫條件下的電化學性能。通過活化後電極的反應動力學提高了三倍,進一步拓寬了鈉離子電池(SIBs)的反應溫度範圍。


受制於低溫條件下更差的反應動力學,SIBs的電化學性能隨溫度下降會出現明顯的衰落,在過低溫度下甚至會出現完全無法使用的情況。如何提高SIBs的低溫性能,是SIBs在高緯度地區應用不得不面對的實際問題。近日,哈爾濱工業大學的王振波教授及其團隊提出通過Sn2+離子嵌入層狀負極之中,通過協同作用,大幅提高電極的反應動力學,使得在-30℃下,電池依舊可以保持較好的電化學性能。並通過分析其反應機理,為後續的特殊條件儲能器件的設計提供了極大地參考指導。相關論文以題為「Enhancing Na-Ion Storage at Subzero Temperature via Interlayer Confinement of Sn2+」在 ACS nano上發表。

論文連結:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05925


由於鈉元素更高的豐度,SIBs電池被認為是最有希望取代鋰離子電池的下一代儲能器件。但是,SIBs離實際商業化應用還有著諸多的問題,其中之一就是其在低溫環境中SIBs電池的離子電導率、離子擴散係數均會降低,而界面阻抗也會升高,這些最終導致電池的電化學性能會發生大幅衰減,導致其無法在高緯度地區或者其他極端環境中應用。根據最近的研究發現電池的正極(Na3V2(PO4)3、Na3Ti2(PO4)3等)和電解液體系其實在低溫條件下均還有較好的電化學性能,因此認為決定電池低溫條件下的電化學性能的關鍵在於負極材料。但SIBs負極材料在低溫下的研究還較少,且主要為炭材料,關於負極的反應動力學和離子電導率顯然也需要系統的研究。


本文作者針對這一問題,製備出僅有Sn離子摻雜的H2Ti2O4(OH)2(HTO),並對其在低溫條件下的反應動力學進行了研究。結果表明在層間Sn的Sn-5s具有更大的電荷,會與O-2p雜化引起電荷的再分配,從而提高電導率。Sn的合金化反應可以給電極提供額外的比容量,而HTO又可以穩定Sn的反應狀態,抑制體積膨脹。此外,電池在循環過程中產生的Na14Sn4還可以擴大HTO的層間距,有利於電子的轉移。這些協同導致電極在-20℃下循環1200圈還有91%的容量保持率;在-30℃下循環850圈還有90%的容量保持率。

總的來說,作者利用Sn和HTO的協同作用,實現了SIBs在極低溫條件下良好電化學性能。該結果表明分層限制策略是提高電池反應動力學和離子擴散能力的有效手段,對低溫環境電池材料的設計研發具有極其重要的指導意義。(文:Today)

1 (a) S-LT的製備示意圖;(b) 25-250℃下的原位變溫XRD圖;(c) H-LTHRTEM圖;(d) S-LTHRTEM圖;(e) S-LT的元素映射圖;(f)-(i) 樣品的XPS圖。



圖2 樣品的動力學計算結果。



3 S-LT在充放電過程中的相結構分析。



圖4 S-LT電極的反應動力學和反應勢壘分析。



圖5 低溫條件下電極的電化學測試。


本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫,未經許可謝絕轉載至其他網站。

相關焦點

  • 科學家開發新型金屬玻璃電極 大幅提升甲醇燃料電池性能
    為了提高其能量表現,科學家們建議使用由鈀基金屬玻璃薄膜製成的電極。據外媒報導,來自遠東聯邦大學(FEFU)及奧地利、土耳其、瑞士和英國的一組研究人員針對此類應用開發了一種新型金屬玻璃。  該團隊開發的金屬玻璃電極在氧化甲醇方面比鉑基類似物的效率高85%。此外,受益於非晶態結構,這種金屬玻璃更耐腐蝕。對於具有晶體結構的鉑基電極來說,腐蝕的危害很大。  FEFU自然科學學院計算機系統系講師Yurii Ivanov表示:「我們成功地證實,沉積在常用矽基板上的納米金屬玻璃薄膜,可以有效地氧化甲醇。即使經過多次工作循環,仍能保持穩定。」
  • 浙大《AFM》如何利用好贗電容效應,提升電極性能?
    導讀:通過與磷高溫反應,在塊狀TiO2上實現了異質結的構建,大大提升了材料的贗電容效應,明顯增強了電極的儲鈉性能。這一研究大大開拓了人們對異質結的研究及贗電容效應的應用。良好的體積比容量也使得該材料設計思路具有極高的商業應用價值。
  • 浙大《AFM》如何利用好贗電容效應,提升電極性能?
    >目前,具有贗電容效應材料的設計合成思路主要是通過將材料縮小到納米尺寸,而這將導致電極的體積比容量降低和副反應的發生,使得該效應無法真正的被利用到商業電極材料上。近日,浙江大學的吳浩斌及其團隊通過與磷高溫反應,成功實現了塊狀TiO2上的異質結構建。
  • 三星新品SM951 SSD實測 性能大幅提升
    三星新品SM951 SSD實測 性能大幅提升 2015年01月14日 15:06作者:張孟偉編輯:張孟偉     從現場展示來看,在PCI-E 3.0模式下,其持續讀寫速度最高可達2150MB/s和1550MB/s,即便是在PCI-E 2.0模式下,最高也能達到
  • 青島科大ACS Nano:藉助缺陷,大幅提高材料儲鉀性能
    近日,青島科技大學的張忠華教授及其團隊針對這一問題,通過在Fe7S8/C納米籠上複合具有豐富鉀離子通道和儲K活性位點的MoS2納米片,大幅提高材料的儲鉀性能。動力學分析和理論計算也驗證了引入缺陷豐富的MoS2納米片可以顯著提高了鉀離子的擴散係數。
  • 空氣擴散電極結構對鋅空氣扣式電池性能的影響
    把催化透氣膜與集流網(泡沫鎳)疊合後輥壓成型,80℃條件下乾燥30mins即得單層膜空氣擴散電極El。  2.3 結構對空氣擴散電極漏液性能的影響  為了考察結構對空氣擴散電極防漏液性能的影響,將其分割組裝成擺式鋅空氣電濁,觀察結果如表2所示,三層膜空氣擴散電極E4具有較好的防漏液性能,這是因為其空氣擴散電極有兩層防水透氣膜,大大提高了鋅空氣邀波麓蒴漏液性能。單層膜趣極翡防漏液性能相對較差。
  • OLED電極材料,決定OLED器件的性能及使用壽命
    OLED器件要求電極必須有一側是透明的,因此通常選用功函數高的透明ITO導電玻璃或塑料作陽極。ITO(氧化銦錫)玻璃在400nm~1000nm的波長範圍內透過率達80%以上,而且在近紫外區也有很高的透過率。ITO玻璃目前已經商用化,可直接在其上製備OLED,但為了改善OLED的性能,需對ITO膜表面進行處理,使之適應有機物薄膜。
  • Nature子刊:矽與炭結合,大幅提高電極容量和倍率性能
    本文通過構建矽與炭材料之間的共價鍵,大幅提高了複合電極的容量和倍率性能。該研究為矽基電池的改進和批量生產帶來了巨大的希望。在鋰離子電池中,矽具有極高的理論容量(4200 mA h g-1),但隨之而來的問題就是嵌鋰脫鋰過程中巨大的體積變化,導致材料結構的崩塌和SEI膜的反覆形成。
  • 浪潮AI伺服器大幅提升NLP模型Transformer訓練性能
    性能數據顯示,相比同類伺服器,浪潮AI伺服器NF5488M5大幅提升了Transformer的訓練性能,GLUE基準訓練至80.4%的時間相比同類產品大幅減少67%。浪潮AI伺服器NF5488M5人工智慧正在由「能看、會聽」的感知智能向「能讀、會寫」的認知智能邁進。
  • Nintendo Switch Pro現身FCC 性能大幅提升
    中關村在線消息:北京時間8月27日,此前彭博社的記者望月崇透露任天堂正在研發Nintendo Switch的性能提升版Nintendo Switch Pro現身FCC 性能大幅提升這份FCC文件中包含了一部分有關這款硬體性能上的描述。
  • 迷失森林改為Unity 5引擎 大幅提升遊戲性能
    Unity5引擎提升草木效果   新版本的迷失森林支持物理基準渲染,柔韌的植物、植物著色的次表面散射以及多數圖像修正和效果提升。   除了一些全新圖像特性外,官方還替換了幾乎全部的數目模型,重繪皮膚著色、引入全新的布告板系統,並使用全新的ocean著色器。
  • 性能提升30% 英特爾Merom/Yonah比拼
    ,單周期128Bit處理器能力以頻率以外的方法提升性能,令處理器擁有高能源效益表現。Video Memoy Technology) 4.0 版本,最高可共享 256M B 系統內存,此外,Crestline 的性能將為上代 Intel 945G M(Calistoga) 的 1.5X ,而最高輸出解析度為 2048 x 1536 ,亦比上代 945G M 大幅提高。
  • 核芯顯卡性能還能大幅提升
    現在配獨顯的低價筆記本很多,但是大多數配備的都是入門級獨立顯卡,實際的遊戲性能很弱,甚至比不上Sandy Bridge的核芯顯卡。這些入門級獨顯不光提高了整機成本,功耗也比核芯顯卡高得多,而且發熱量還很高,影響了使用的舒適性。相比之下Intel最新的Sandy Bridge處理器中集成的核芯顯卡就越發顯得實用了。
  • 【利元亨•年會專欄】鴻基創能引領國產膜電極「快跑」
    ,有效控制CCM表面缺陷,確保產品大規模生產的良品率、質量及使用穩定性,並達到降低成本的效果。鴻基創能的膜電極生產工藝過程由兩個連續化精密塗布步驟組成,平均線速度≥5m/min,極大提升單位時間產能,同時相應降低成本。同時定製開發的精密塗布設備具備「補丁」及「斑馬」塗布功能,配備在線缺陷檢測、打標,物理尺寸檢測,鉑金載量等單片質量巡檢,確保產品的一致性和均勻性。 (3)高性能和長壽命。
  • 科學家研發銅錫薄膜 可大幅提升鋰電池性能
    財聯社(上海,編輯 黃君芝)訊,據報導,美國中佛羅裡達大學(University of Central Florida)研究替代鋰電池設計的科學家們提出了一種改進方案,他們稱這種方案可以使設備的性能得到極大提高。這項突破主要在於為電池的一個電極塗上了一層新的保護塗層——銅錫薄膜,這能顯著減緩電池的退化,並能使電池在更長的時間內保持更大的電量。
  • 硫基電解液能夠提升NCM/石墨電池的循環性能
    打開APP 硫基電解液能夠提升NCM/石墨電池的循環性能 新能源Leader 發表於 2020-04-20 17:20:30
  • 能裝在晶片上 矽基電極性能首次達到碳基水平
    原標題:晶片超級電容器又添新材料   科技日報北京6月13日電 (記者常麗君)多年來,能裝在晶片上的微小超級電容一直廣受科學家追捧,決定電容器性能的關鍵是其電極材料,有潛力的「選手」包括石墨烯、碳化鈦和多孔碳等。
  • 探析:石墨電極漲價成因及趨勢
    去年10月以來由於煤炭行業供給側改革,導致高爐-轉爐煉鋼(長流程)主要原材料焦煤、焦炭價格大幅上漲,相比之下廢鋼為主的電爐鋼生產企業成本優勢開始凸顯,電爐鋼盈利超出高爐鋼,電爐鋼廠產量迅速攀升,電爐法佔粗鋼比例相應提高;煉鋼精煉,指的是將電弧爐後期精煉功能移到鋼包中進行,對初煉爐(電弧爐或轉爐)所熔鋼水進行精煉,通過有機結合提高初煉爐生產效率的同時,提升產品質量,鋼水爐外精煉比例約為30%
  • 石墨電極的用途及性能
    圖片來源於網絡石墨電極一種耐高溫石墨質導電材料,而石墨電極的用途及性能您知道嗎?石墨電極分類:普通功率石墨電極(RP);高功率石墨電極(HP);準超高功率石墨電極(SHP);超高功率石墨電極(UHP)。(1)用於電弧煉鋼爐石墨電極材料主要可以用於電爐煉鋼。
  • 專家研發新型電解液:大幅提升鋰金屬電池性能
    本文轉自【快科技】;6月22日,據外媒報導,美國史丹福大學的研究人員發表在《自然-能源》(Nature Energy》上的一項新研究,展示了一種全新的電池電解液技術如何提高鋰金屬電池的性能。鋰枝晶的生長會導致鋰離子電池在循環過程中電極和電解液界面的不穩定會,不斷消耗電解液並導致金屬鋰的不可逆沉積,形成死鋰造成低庫倫效率。此外,鋰枝晶的形成甚至還會刺穿隔膜導致鋰離子電池內部短接,造成電池的熱失控引發燃燒爆炸。研究人員表示,電解液是阻止鋰枝晶生長的關鍵問題,因此我們想利用有機化學為這些電池合理設計和製造新的、穩定的電解質。