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《用于高能可充电电池的新型氧-空电极材料的合成与进展》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： 郭文姣
  • 发布时间：2018-10-15

  • 近年来，大量的氧空材料被合成并作为电极用于电化学存储。氧空位的存在导致电导率和扩散系数的增加;因此，氧空位的可控合成对于提高电池电极材料的高比电容、高功率密度、高能量密度和良好的循环稳定性等电化学性能具有重要作用。本文主要介绍了氧空位纳米结构的制备及氧空位材料在各种电池(如锂离子电池、锂氧电池和钠离子电池)中的应用研究进展。同时也提供了与氧气供应相关的挑战和机会。

    ——文章发布于2018年8月06日

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  • 《两高”水性可充电电池问世 比锂离子电池更安全、更便宜》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-11-26
    • 锂离子电池以其高能量密度、高效率和低自放电率在便携式电子产品和电动汽车中占据主导地位，然而使用易燃的有机电解液所引起的严重安全问题阻碍了它的广泛应用。水性可充电电池由于使用了不可燃且价格低廉的水溶液（即用水作溶剂的溶液）作为电解液，不仅比锂离子电池更安全、成本更低，也更容易制备。但由于受到水分解电压的限制，目前水性可充电电池的能量密度远低于锂离子电池。 　　众所周知，电解液是化学电池、电解电容等使用的介质，为它们的正常工作提供离子，并保证工作中发生的化学反应是可逆的。所以提高水性可充电电池的实用性，改良水溶液电解液，提高其电压稳定窗口，已经成为目前研究的热点。 　　11月19日，南京工业大学宣布，该校吴宇平、付丽君教授团队设计了一种碱性/中性混合的水溶液电解液体系，研发出了高电压高能量密度水溶液混合电解液可充电电池。相关研究发表在国际化学领域顶级学术期刊《先进能源材料》上。 　　“水性可充电电池是指用水溶液作为电解液的可充电电池。”付丽君介绍道，“水溶液的理论分解电压是1.23伏，实际电池中由于存在过电势，分解电压可以达到1.5—2伏，但是很难超过2伏。而电池的能量密度与电池的电压是成正比的，即电压越高能量密度也越高，而电解液的电压窗口决定了电池可达到的最大电压，因此要提高水性可充电电池的电压，首先要提高水溶液电解液的电压稳定窗口。我们将碱性溶液与中性溶液组合成混合电解液，将电解液的电压稳定窗口提高到了3伏。” 　　“在水溶液电解液体系中，中性电解液的析氢电位高于碱性电解液，析氧电位低于酸性溶液，但是其电压窗口是3种溶液中最宽的。另外，碱性溶液和中性溶液的组合相对较为容易，而且这样的组合将大大拓宽电压稳定窗口。”论文第一作者、南京工业大学袁新海博士表示。 　　在这个工作中，研究团队使用了阳离子交换膜作为隔膜。“阳离子交换膜可以起到传输阳离子阻隔阴离子的作用，从而使电解液保持稳定的pH值。另外，在这个混合电解液体系中，阴、阳离子在正负极电解液中都是稳定存在的。因而保证了这个电解液体系的稳定性。”袁新海解释道，只有电解液保持稳定，才能使电解液的电压窗口保持稳定，才能保持电池体系的可逆性和稳定性。 　　“电解液的电压稳定窗口解决了，下一步就是选用合适的正负极材料构建高电压、高能量密度水性可充电电池。”付丽君介绍，他们在研究中注意到，锌是在碱性溶液中具有较负电位（相对于标准氢电极的电位为-1.216V）且具有较高比容量的负极材料，而锰酸锂是在中性电解液中具有较高氧化还原电位和较高比容量的正极材料，“因此将这两种材料结合起来，可以得到较高电压的水性可充电电池”。 　　该研究团队基于这种混合水溶液电解液的概念，还研发了一系列水溶液电池和水溶液电容器的工作，相关工作分别发表在《化学电化学》《化学通讯》《材料化学学报A》和《先进科学》上。
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  • 《日本东理发现新型正极材料 奠定下一代可充电镁电池生产基础》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-06-18
    • 据外媒报道，现代生活对电的依赖越来越强，而对电力的不断需求也使得人们对更环保、更便携的能源需求越来越高。尽管风能和太阳能电池板是非常有前景的替代能源，但是由于此类能源的产量会受外部因素影响，因而非常不可靠。因此，从能源配置和经济角度来看，高能量的二次电池（可充电电池或蓄电池）才是未来的发展方向。东京理科大学（Tokyo University of Science）的Idemoto教授带领一组研究员，通过合成一种新型电极材料（金属化合物），成功逆转了离子的化学反应，解决了能源的浪费问题，为下一代可充电镁电池的生产奠定了重要基础。研究人员对该发现非常乐观，表示：“我们合成了一种岩盐，具有作为下一代二次电池正极材料的巨大潜力。” 电池是最受欢迎的便携式能源，由三个基本部件组成 – 阳极、阴极和电解液，该三部分相互发生化学反应，阳极产生额外的电子（氧化），电子被阴极吸收（还原），从而产生氧化还原反应。由于电解液抑制了阳极和阴极之间的电子流动，电子会优先在外部电路流动，从而导致电流或“电”流动。当阴极／阳极中的材料不能再吸收／脱落电子时，电池就“死了”。 但是，有些材料利用反向运行的外部电力，能够逆转此类化学反应，从而使材料回到原来的状态，此类可充电电池即手机、平板电脑和电动汽车等设备中的电池。 东京理科大学的Idemoto教授及其同事合成了取代钴的MgNiO2材料，有潜力成为新型阴极材料。Idemoto教授表示：“我们专注于使用多价镁离子作为可移动离子的可充电镁电池，有望实现能量密度高的下一代可充电电池。”最近，由于镁电池毒性低、容易实现逆转反应，使人们对利用镁作为高能量密度可充电电池的阳极材料产生了极大的兴趣。但是，由于缺乏合适的互补型阴极和电解液，很难实现。 在标准实验室技术的基础上，研究人员利用“反向共沉淀法”合成了此种新型盐，而且可从水溶液中提取此种新型岩盐。为了研究萃取盐的结构和晶格成像，研究人员采用了中子和同步X射线光谱学，换句话说，他们研究了粉末样品在中子或x射线照射下产生的衍射图样，同时，对岩盐种类进行理论计算和模拟，此类岩盐具有正极材料所需的“充放电行为”，使得他们能够根据生成的100个对称不同候选结构中能量最稳定的结构，来确定镁、镍和钴正离子在岩盐结构中的排列。 除了结构分析，研究人员还用三极电池和已知的参考电极在各种条件下进行充放电测试，以了解岩盐作为镁充电电池正极材料的电化学性能，发现可以根据镁的成分和镍／钴的比例来控制电池的特性。进行的结构和电化学分析使研究人员能够展示岩盐可作为正极材料，以及在不同环境下具有可靠性。 目前，二次电池行业主要以锂离子电池为主，在汽车和便携式设备中用于电力存储。但是，此类电池的能量密度和电力存储能力有限。然而，Idemoto教授表示，新型二次镁电池作为高能量密度的二次电池，有能力替代锂离子电池。
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