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科研人員成功開發(fā)出高性能多電子反應(yīng)儲鋰材料
2022年12月20日 09:51:56
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：楊 點擊量：3850
近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員吳忠?guī)泩F隊在多電子反應(yīng)電極材料方面取得新進展。通過構(gòu)建二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)，團隊克服了多電子反應(yīng)存在的可逆性和動力學(xué)限制，實現(xiàn)了高倍率、高容量的贗電容多電子反應(yīng)。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】近年來，可持續(xù)發(fā)展理念已經(jīng)成為發(fā)展的基本共識，綠色能源也成為了當(dāng)下能源發(fā)展和研究的主流方向。鋰、鈉離子電池等二次電池具有體積比能量和質(zhì)量比能量高，可充且無污染等特點，受到了高度關(guān)注。為了提高鋰、鈉離子電池等二次電池的能量密度，滿足日益增長的能量需求，多電子反應(yīng)的電極材料得到了廣泛關(guān)注與研究。
近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員吳忠?guī)泩F隊在多電子反應(yīng)電極材料方面取得新進展。通過構(gòu)建二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)，團隊克服了多電子反應(yīng)存在的可逆性和動力學(xué)限制，實現(xiàn)了高倍率、高容量的贗電容多電子反應(yīng)。
電極材料的理論容量與每個氧化還原中心轉(zhuǎn)移的電子數(shù)密切相關(guān)。多電子反應(yīng)是指在電荷存儲過程中，單個氧化還原中心經(jīng)歷一個以上的電子轉(zhuǎn)移。多電子反應(yīng)可以突破傳統(tǒng)電池反應(yīng)中單個或少于一個電子轉(zhuǎn)移的瓶頸，大幅提升電極材料比容量，但多電子轉(zhuǎn)移過程在熱力學(xué)和動力學(xué)上的復(fù)雜性也會大幅增加，使得多電子反應(yīng)面臨可逆性差和動力學(xué)緩慢的巨大挑戰(zhàn)。
該工作發(fā)展了一種基于氧化石墨烯模板的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)策略。團隊所制備的二維V2O5/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)超薄納米片形貌(2.8 nm)，具有豐富的表面活性位點，并且易于釋放離子嵌入/脫出時的應(yīng)力/應(yīng)變，促進可逆的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。此外，石墨烯的復(fù)合不僅提高了材料的電子導(dǎo)電性，而且產(chǎn)生了豐富的具有內(nèi)建電場的異質(zhì)界面，促進了電荷轉(zhuǎn)移。
得益于上述形貌和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，二維V2O5/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)克服了釩氧化物在多電子反應(yīng)中的不可逆相變和動力學(xué)限制，實現(xiàn)了贗電容主導(dǎo)的可逆多電子轉(zhuǎn)移儲鋰反應(yīng)，表現(xiàn)出了極高的比容量和優(yōu)異的倍率性能，優(yōu)于大多數(shù)已報道的插層氧化物材料。本工作進一步通過解耦上述具有高容量和寬工作電壓窗口的多電子反應(yīng)，構(gòu)建了以預(yù)鋰化二維V2O5/石墨烯電極同時作為正負(fù)極的對稱儲能器件，具有優(yōu)良的能量/功率性能和超長循環(huán)穩(wěn)定性。
該工作為開發(fā)高容量、高倍率的多電子反應(yīng)電極材料提供了新策略，同時提供了一個基于多電子反應(yīng)構(gòu)建對稱儲能器件的范例。
相關(guān)成果Enabling rapid pseudocapacitive multi-electron reactions by heterostructure engineering of vanadium oxide for high-energy and high-power lithium storage于近日發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)(Energy & Environmental Science)》上。
資料來源：中國科學(xué)報
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