免费影视观看网站入口,国产一区二区三区在线播放,天堂а√在线地址中文在线

▲第一作者：褚小康

通訊作者：鄭晶

通訊單位：南京林業大學

論文DOI：10.1016/j.apcatb.2024.124507?（點擊文末「閱讀原文」，直達鏈接）

全文速覽

在鉀離子電池中深入探討了 KFSI/EC+DME?的酯醚混合電解液體系，該體系具有從溶劑分離離子對（SSIP）到聚合體（AGG）主導狀態的廣泛可控溶劑化結構。在優化的 BBD/CNT||KFSI/EC+DME||K 電化學體系中，KFSI/EC+DME 與鉀金屬的相容性令人滿意，使得有機復合材料在50 mA g^-1?電流密度下具有288 mAh g^-1的比容量，且容量衰減可以忽略不計。

背景介紹

由于全球鉀源的均勻分布、K⁺在有機電解液中具有較快的擴散動力學、與鋰離子電池具有相似工作原理和相當的能量密度和功率密度等原因，鉀離子電池（PIBs）成為大規模儲能系統中具有潛力的候選者。因此，迫切需要開發基于PIBs的下一代可再生能源存儲技術。目前已經為PIBs開發了不同種類的負極材料，如碳質材料、過渡金屬氧化物、合金化合物和有機化合物等。其中，有機負極電極材料主要由輕質的、低成本的C、H、O、N等元素組成，在成本效益、可持續性、分子水平上的廣泛結構設計等方面具有顯著的優勢。此外，有機電極材料的“軟結構”有利于較大K⁺的高效存儲和遷移。然而，有機電極材料通常存在電子導電性差、在有機電解液中的溶解度較高、體積能量密度低等固有問題，嚴重限制了其廣泛的發展和應用。更重要的是，常規單一種類溶劑的電解液與有機電極材料往往表現出嚴重的界面相容性問題。因此需要探索與有機負極相匹配的新型電解液以實現儲鉀性能的增強。

研究出發點

設計了一種新型的酯醚混合電解液（EEHEs），以解決儲鉀系統中電解液的持續消耗、不均勻 SEI 的形成以及 K 枝晶的生長等問題。基于碳酸乙烯酯（EC）和1.2-二甲氧基乙烷(DME)的EEHEs實現了與鉀金屬良好相容，并且可以通過簡單的濃度改變實現電解液溶劑化結構的調控來進一步提高這種電解液的電化學性能。這是因為溶劑化結構中富含FSI-的電解液，可以促進穩健的固體電解質界面（SEI）的形成和K⁺在界面處的快速轉移。

采用簡便的熱熔融法制備了2-溴苯-1,3-二甲醛/碳納米管（BBD/CNT）復合材料。基于熱處理，有機物以更小的尺寸均勻的分散在碳納米管的內部或者表面實現了材料的復合。由于有機物與碳納米管之間的相互作用，復合材料在提高電導率的同時，更抑制了有機物在電解液中的溶解行為。

圖文解析

圖1. 新型酯醚混合儲鉀電解液的設計

借助前線軌道理論討論各部分溶劑的氧化還原穩定性進而將不同組分進行匹配。通過分子動力學(MD)模擬了三種具有相似性質的EEHEs，分別為1M KFSI/EC+DME, 1M KFSI/PC+DME和1M KFSI/VC+DME。均方位移（MSD）表明幾種電解液都具備較快的鉀離子遷移能力。與此同時，三種電解液的溶劑化結構與配位環境也高度相似，因此在理論層面，它們應表現出類似的性能。然而在實際的應用中，電池內部的復雜情況會影響電池的運行，通過K||Cu 半電池的測試，只有EC+DME的EEHEs具有理想的電化學性能。

圖2. 酯醚混合儲鉀電解液溶劑化結構的調控

電解液的溶劑化結構可以影響電池內部的離子傳輸行為以及SEI的形成，這會顯著影響電池的電化學性能。一種便于實現的策略是通過改變電解液中鹽的濃度來調控電解液的溶劑化結構。根據1M 和5M 兩種具有代表性的濃度對比可知，這種溶劑化結構的調整是可控且簡單的。對于1M電解液，溶劑化結構主要以溶劑分離離子對(SSIP)、接觸離子對(CIP)為主，而5M電解液的溶劑化結構以CIP和和聚集體(AGG)為主。KFSI/EC+DME中以AGG為主的溶劑化結構導致K⁺與FSI^–之間的相互作用更強，脫溶劑化能低，儲鉀動力學更快。同時溶劑化結構的轉變也降低了電解液中的自由溶劑，增強了電解液的安全性。

圖3. 酯醚混合電解液與鉀金屬的兼容性研究

K||Cu電池和K||K電池可以證明AGG主導的溶劑化結構有利于實現PIBs的優異性能。K||Cu電池在5M KFED 電解液中具有更小的極化電壓，以及更高的初始庫倫效率。這說明優化后的電解液具有更快的鉀離子傳輸動力學和更好的成膜性能。因而，在較大的電流密度下，鉀金屬仍具有良好的沉積與溶解行為。另外K||K電池更長的循環壽命也證實了溶劑化結構調整對沉積行為的有利改善。

圖4. BBD/CNT儲鉀負極的設計

在眾多電極材料中，有機小分子材料顯示出獨特的電化學特性，但由于導電性差、電解液與電極不匹配等嚴重問題阻礙了它們實現高容量且穩定的循環。一種簡易且有效的措施是將有機物與碳材料進行復合以實現良好的性能調控。因此采用簡單的熔融灌注法制備了2-溴苯-1,3-二甲醛/碳納米管（BBD/CNT）復合材料。由于有機物和碳納米管之間的相互作用，復合材料有效地降低了BBD的溶解度并增強了其導電性，實現了容量和穩定性的雙重提高。基于MD模擬，可以推測出該醛類有機物的理論儲鉀容量為252 mAh g^-1。然而由于贗電容貢獻以及吸附容量，實際復合材料的容量與理論容量存在偏差。

圖5. BBD/CNT匹配EEHEs系統的鉀存儲性能

由于電解液與鉀金屬的兼容性問題，1M KFVD與1M KFPD這兩種酯醚混合電解液與BBD/CNT負極匹配出現快速的容量衰減。然而，BBD/CNT在1M KFED電解液表現出最優異的循環性能和容量保留率。經過150次循環后，容量保持率仍為55.7%，平均CE超過98%。得益于溶劑化結構的調控與優化，在5M KFED 電解液中，BBD/CNT 具有更好的循環穩定性（在50 mA g^-1的電流密度下循環150次后仍具有288 mAh g^-1的比容量）和倍率性能。

圖6. BBD/CNT匹配EEHEs系統的儲鉀機理研究

通過變速循環伏安法，恒電流間歇滴定技術，電化學阻抗等電化學分析揭示了不同濃度電解液對BBD/CNT電極的儲鉀行為以及儲鉀動力學的影響。具體而言，提高濃度有利于增加贗電容控制的儲鉀行為，這有利于實現K⁺的快速擴散，然而過高的濃度使得電解液體系的粘度增大，反而阻礙離子的傳輸。另外隨著電池的運行，低濃鹽電解液衍生的不穩定的SEI會導致電解液的持續分解，使電池的電化學阻抗不斷增大。而優化后的電解液可形成更加穩定的SEI，多次循環后電池仍保持較低的阻抗，保障了K⁺的傳輸。

總結與展望

綜上所述，成功設計了一種用于PIBs的新型EEHEs。通過控制溶劑和鹽濃度，可以從SSIP到AGG主導的狀態廣泛控制它們的溶劑化結構，從而在相應的K||Cu 電池和 K||K 對稱電池，分別在優化的 5M KFSI/EC+DME 電解質中。此外，當將優化的電解液與開發的新型BBD/CNT負極材料匹配時，組裝的K||BBD/CNT電池在50 mA g^-1下循環150次后比容量為288 mAh g^-1，在200 mA g^-1下循環100次后比容量為244 mAh g^-1，這歸因于表面電容主導的機制和快速的K存儲動力學。本文提出的電解質設計原則將為解決儲能設備中廣泛應用中的動力學和熱力學之間的普遍矛盾提供新的見解。

作者介紹

鄭晶副教授簡介：2018年博士畢業于南京航空航天大學，后加入南京林業大學理學院材料化學系。研究方向為電化學儲能，主要包括鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池、鉀離子電池等新型電化學儲能器件的電解液和電極材料的設計與研發。在全球頂尖新能源電池研究課題組美國馬里蘭大學的王春生教授課題組，從事多年極端電化學儲能電池的前沿開發。在國際能源頂級期刊Nature Nanotechnology, Energy & Environmental Science, Angewandte Chemie International Edition,?Advanced Energy Materials, Chem和Nano Energy等發表了SCI論文50余篇，12篇高被引ESI論文，1篇熱點論文，累計被引5000余次，申請并授權專利多項。先后主持了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等多項科研項目，參與了美國能源部及美國NASA等項目的研究工作。入選了2022年江蘇省科技副總。

文章鏈接

Designing ester-ether hybrid electrolytes for aldehyde-based organic anode to achieve superior K-storage

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124507

97人妻一区二区精品免费,好男人社区www在线官网,办公室娇喘的短裙老师在线视频,亚州精品久久久久久久久