深圳瑞達述液態(tài)鈉鉀合金電池的研發(fā)

　　液態(tài)鈉鉀合金電池的研發(fā)

　　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(tài)堿金屬的固有特性。液態(tài)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(tài)合金。液態(tài)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(huán)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。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(tài)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(tài)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(xiàn)出出色的循環(huán)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(yōu)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(tài)金屬和有機物優(yōu)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2.1mAhcm?2。這項工作發(fā)布于國際著名學術期刊AdvancedMaterials上。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(huán)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(huán)測試后產生的SEI的XPS圖圖3.電池的穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(huán)性能E,F.C,D中進行的循環(huán)測試中不同循環(huán)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(shù)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(shù)與面積容量和庫倫效率的關系C、D分別為平直、彎曲狀態(tài)下的柔性電池E、F分別為恒電流電壓和循環(huán)穩(wěn)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(yōu)異的循環(huán)性能。他們還用鈉鉀合金和CNF/SR制作了面積容量高達2.1mAhcm?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(tài)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(tǒng)的方法。

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