余桂華教授、Goodenough教授強強聯手：液態鈉鉀合金電池

kv1004 5年前 (2019-02-01) 7239瀏覽

【引言】

堿金屬作為負極材料具有高比容量和低氧化還原電位。然而，堿金屬電池的壽命受到堿金屬枝晶生長的困擾。枝晶電沉積是固態堿金屬的固有特性。液態堿金屬作為負極材料有望解決堿金屬的枝晶的問題。鈉和鉀能在室溫下形成液態合金。液態鈉鉀合金作為負極材料的廣泛應用主要受到這兩點影響：1.表面張力大，導致潤濕性差。2.鈉鉀合金電池有很多因素影響載流子的選擇。能儲存堿離子的有機材料對環境友好、所含元素豐度極高，潛在成本低廉，對多種離子具有可逆的氧化還原行為，適合作為含有多種載流子的電池的正極材料。

【成果簡介】

近日，美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授（通訊作者）和Goodenough教授帶領研究人員完成了一項最新研究成果——基于液態鈉鉀合金的通用堿金屬離子電池。他們采用真空滲透法制備鈉鉀合金負極，選擇具有多羰基的有機物玫瑰紅酸鈉（SR）作為正極材料。這種基于液態金屬合金和有機物的電池既可作為鈉離子電池或者鉀離子電池工作，皆展現出出色的循環性能。深入的化學表征和理論計算表明，有機物正極對不同載流子的優先選擇性很小，同時鈉鉀合金負極不同堿金屬離子的沉積-溶解反應受到相應電解液形成的固體電解質界面膜（SEI）的支配。利用液態金屬和有機物優異的機械性能，他們還分別用鈉鉀合金和層狀插疊的碳納米纖維/SR納米晶體作為負極和正極，做出了柔性的堿金屬離子電池，其四層活性材料的面積容量高達 2.1 mAh cm?2。這項工作發布于國際著名學術期刊Advanced? Materials上。

【圖文導讀】

圖1.示意圖和密度泛函理論（DFT）計算

A.鈉離子和鉀離子插入SR的機理的示意圖

B,C,D分別為鈉離子插入SR的產物的LUMO、HOMO、靜電勢

E,F,G分別為鉀離子插入SR的產物的LUMO、HOMO、靜電勢

圖2.鈉、鉀、鈉鉀合金分別作為負極材料的對比

A,B：電壓（A中的虛線為鈉作為負極，紅線為鈉鉀合金，分別在鈉離子電池電解液中作為負極；B中的虛線為鉀作為負極，紅線為鈉鉀合金，分別在鉀離子電池電解液中作為負極）

C:XRD圖（從上到下分別為鈉鉀合金、鉀金屬在鉀離子電池電解液作為負極；鈉鉀合金、鈉金屬在鈉離子電池電解液作為負極）

D–G：鈉鉀合金負極在上述鉀離子電池電解液進行循環測試后產生的SEI的XPS圖

H–K：鈉鉀合金負極在上述鈉離子電池電解液進行循環測試后產生的SEI的XPS圖

圖3.電池的穩定性測試

A.鈉（灰線）和鈉鉀合金（紅線）分別在上述鈉離子電池電解液作為負極的穩定性

B.鉀（灰線）和鈉鉀合金（紅線）分別在上述鉀離子電池電解液作為負極的穩定性

C,D.鈉鉀合金分別在上述鈉、鉀離子電池電解液作為負極的全電池的循環性能

E,F.C,D中進行的循環測試中不同循環的電壓-容量曲線變化

圖4.載流子和正極的譜圖和計算

A.鈉鉀合金在上述鈉離子電池電解液中作為負極的電池正極的EDS圖

B.鈉鉀合金在上述鉀離子電池電解液中作為負極的電池正極的EDS圖

C.EDS測試中兩種電解液形成的SEI的組成

D,E.插入不同數量的鈉離子或鉀離子的結構的結合能計算

圖5.柔性電池測試

A.CNF和SR納米晶體組成的層狀正極的設計示意圖

B.層狀電極的SR層的層數與面積容量和庫倫效率的關系

C、D分別為平直、彎曲狀態下的柔性電池

E、F分別為恒電流電壓和循環穩定性測試。

【小結】

作者團隊設計了基于鈉鉀合金的通用堿金屬離子電池，并用化學表征和DFT計算解釋了其工作機理。這種電池分別作為鈉離子電池或者鉀離子電池都具有優異的循環性能。他們還用鈉鉀合金和CNF/SR制作了面積容量高達 2.1 mAh cm?2的柔性堿離子電池。這種電池的設計不僅闡明了無枝晶的液態金屬合金負極，而且還代表了一種有前景的和通用的構造高性能的、安全的儲能系統的方法。

文獻鏈接：A Liquid‐Metal‐Enabled Versatile Organic Alkali‐Ion Battery（Adv. Mater. 2019, DOI:10.1002/adma.201806956）

【余教授課題組簡介】

余桂華教授是德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學與機械工程學院的終身教授，研究包括功能性有機和混合有機-無機納米材料的合成與自組裝，并研究化學/物理性質及在先進能源和環境技術領域的應用性能。余桂華教授作為通訊作者在Science, Nature, Nature Nanotechnology, Nature Communications, JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Chemical Society Reviews, Nano Letters, Adv. Mater., Chem, Joule, Energy Environ. Sci.等著名期刊上發表了100多篇學術論文，并多次被選作封面文章。

該論文共同第一作者為德州大學材料學與工程專業的博士后丁煜和博士生郭雪霖，通訊作者為余桂華教授。綠色儲能器件是能源存儲方向重要和活躍的領域之一，余桂華教授課題組利用理論和實驗結合的方法，跨學科合作研究的優勢，系統研究了有機功能材料的分子工程及納米晶體的自組裝及其在能源方面的利用，在該領域已經取得了一系列的前沿研究成果，并被斯坦福大學等繼續研究。同時，余桂華教授課題組與Goodenough課題組深入合作，有望實現堿金屬單質和液態金屬合金在可穿戴電子和大規模儲能方面的廣泛應用。

相關優質文獻推薦：

  1. Ding, X. Guo, Y. Qian, L. Zhang, L. Xue, J. Goodenough, G. Yu, " A Liquid-Metal-Enabled Versatile Organic Alkali Ion Battery", Adv. Mater. 1806956 (2019).
  2. Zhao, X. Zhou, Y. Liu, Y. Shi, Y. Dai, G. Yu, “Super Moisture-Absorbent Gels for All-Weather Atmospheric Water Harvesting”, Adv. Mater. 1806446 (2019).
  3. Guo, Y. Ding, L. Xue, L. Zhang, C. Zhang, J. Goodenough, G. Yu, "A Self-Healing Room-Temperature Liquid-Metal Anode for Alkali-Ion Batteries",?Adv.?Funct. Mater.28, 1804649 (2018).
  4. Zhang, Z. Niu, Y. Ding, L. Zhang, Y. Zhou, X. Guo, X. Zhang, Y. Zhao, G. Yu,?“Highly Concentrated Phthalimide-based Anolytes for Organic Redox Flow Battery with Enhanced Reversibility",?Chem,4, 2814 (2018). (Featured Cover)
  5. Ding, C. Zhang, L. Zhang, Y. Zhou, G. Yu, “Molecular Engineering of Organic Electroactive Materials for Redox Flow Batteries”, Chem. Soc. Rev. 47, 69 (2018)

本文由材料人編輯部kv1004供稿，材料牛編輯整理。感謝余教授在百忙之中抽空對本文進行校稿！

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