Двойное питание из титана и олова для повышения стабильности батареи

Одним из основных препятствий на пути эффективного хранения возобновляемой энергии и значительного сокращения выбросов углекислого газа является емкость аккумулятора. В литий-ионных батареях (ЛИБ) сплав олова (Sn) и смеси олова может использоваться в качестве анода батареи, который высвобождает электроны, потенциально сохраняя больше энергии при более высокой плотности, чем обычные аноды на основе углерода.

Когда биметаллический Sn-Ti объединили с недорогим этиленгликолем (Sn-Ti-EG), многие трудности, связанные с использованием Sn в качестве анодного материала, были уменьшены, и был создан доступный ЛИА с превосходными свойствами хранения и производительности.

Хотя олово и сплавы олова и другого металла могут работать лучше, чем альтернативные анодные материалы, их пониженная стабильность обусловлена ​​расширением металла во время зарядки и разрядки.

Разработка металлоорганического каркаса (MOF), который обеспечивает высокую стабильность во время зарядки и перезарядки и поддерживает быстрый перенос электронов (поток энергии), является одним из способов преодолеть это ограничение.

Органическое биметаллическое соединение Sn-Ti-EG было недавно разработано учеными-материаловедами и продемонстрировало превосходную электропроводность, энергоемкость и стабильность в течение ряда циклов зарядки и разрядки. 20 ноября^йВ 2023 году исследователи опубликовали свои выводы в журнале. Энергетические материалы и устройства.

Значительные усилия были направлены на разработку катодных и анодных материалов высокой емкости для ЛИА с высокой плотностью энергии. Потому что возможности известных катодных материалов, таких как LiFePO₄и слоистые оксиды, богатые Ni и LiMn.₂Привет₄достиг своих теоретических пределов, и все больше внимания уделяется поиску анодных материалов с высокой плотностью энергии в качестве альтернативы обычно используемым графитовым анодам, которые имеют относительно низкую теоретическую емкость и плотность отвода..

Чэнь Дунхуан, старший автор и профессор Государственной ключевой лаборатории органической электроники и информационных дисплеев

Чжэнь-Донг Хуан также связан с Ключевой лабораторией биосенсоров Цзянсу при Нанкинском университете почты и телекоммуникаций в Нанкине, Китай.

Количество электрического заряда (миллиампер-час или мАч), которое вещество может проводить на грамм (г^-1) Известные своей емкостью аноды, состоящие из графита, кристаллической формы углерода, имеют теоретическую емкость 372 мАч.^-1.

С другой стороны, по сравнению с графитовыми анодами теоретические емкости металлов Sn, висмута (Bi) и сурьмы (Sb) выше. Например, аноды sn имеют теоретическую емкость 994 мАч.^-1Но его рост вызывает проблемы со стабильностью.

Хуан сказал:Для решения проблем стабильности, связанных с оловянными анодами, было изучено множество стратегий, включая уменьшение размера частиц, введение инертных металлов и агрегацию углеродных материалов. Более того, рационально спроектированные конструкции, такие как полые, слоистые и сердцевинные конструкции, играют важную роль в уменьшении объемного расширения.«.

Более того, Хуан продолжил: «Хотя эти стратегии помогли в некоторой степени стабилизировать цикличность, плотность энергии наноструктурированных анодов обычно низкая. Напротив, MOF имеют пористую структуру, которая не только обеспечивает большое количество активных центров, но также обеспечивает быстрое проникновение электролита и перенос электронов/ионов.«.

Чтобы получить более стабильный анодный материал с превосходными электрохимическими характеристиками, исследовательская группа разработала специальный MOF, состоящий из Sn, Ti и EG. Например, EG замыкает цепь батареи, действуя как органический мост между положительно заряженным Sn²⁺ И т⁴⁺ ионы.

Ти также добавляется к стабильности материала и усилению его структуры. Sn улучшил электрохимические характеристики анодного материала с большей теоретической емкостью. В конечном итоге исследователи разработали новый недорогой анодный материал LIB, который даже после 700 циклов продемонстрировал стабильность анодного материала, сохраняя высокую удельную емкость 345 мАч/г.^-1 При плотности тока 1000 мА г^-1.

После 700 циклов изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, показали, что материал анода не имеет трещин. Согласно дальнейшему анализу анодного материала Sn-Ti-EG, сильное взаимодействие между частицами олова и углеродом кислорода является причиной высокой удельной емкости электрода и превосходной циклической стабильности.

Эта информация может помочь будущим исследователям создавать анодные материалы с сопоставимыми свойствами. По мнению исследовательской группы, нынешняя разработка в области удельной емкости анодов является предшественником других материалов LIB, которые могут увеличить емкость аккумулятора и обеспечить прибыльное массовое производство.

Ю Цинкай, Хаоран Ли, Цяньчжи Сунь, Сян Ван и Чжицюань Ли из Ключевой государственной лаборатории органической электроники и информационных дисплеев и Ключевой лаборатории биосенсоров Цзянсу в Институте перспективных материалов Национального синергетического инновационного центра Цзянсу по перспективным материалам внесли свой вклад в Нанкинский университет почты и телекоммуникаций, Нанкин, Китай.

Среди других участников — Хайган Лю из Шанхайской лаборатории синхротронного излучения Шанхайского института перспективных исследований Китайской академии наук в Шанхае, Китай; и Джанг Кю Ким с факультета машиностроения Университета Халифа в Абу-Даби, Объединенные Арабские Эмираты.

Исследование финансировалось Национальным фондом естественных наук Китая, Государственным проектом ключевой лаборатории органической электроники и отображения информации, Нанкинским университетом почты и телекоммуникаций, Инновационной программой последипломных исследований и практики провинции Цзянсу, финансовой поддержкой Университета Халифа и Шанхайским университетом. Установка синхротронного излучения.

Ссылка на журнал:

Кей, Ю., и другие., (2023). Сильная координационная реакция в аморфном комплексе Sn-Ti-этенгликоль для стабильного хранения литий-ионов.Энергетические материалы и устройства. doi.org/10.26599/emd.2023.9370013.

источник: http://www.tup.tsinghua.edu.cn/en/index.html