İlerleme | Sulu potasyum iyon pil araştırmaları önemli ilerleme kaydetti
Su bazlı alkali metal iyon (Li + / Na + / K +) piller, doğal güvenlikleri nedeniyle şebeke enerji depolaması için yeni aday sistemlerden biri haline geldi.İlk araştırmada, bu pil sistemi üzerinde bazı ön keşifler yaptık (Nature Communications 2015 , 6, 6401; Advanced Energy Materials 2015, 5, 1501005; Advanced Energy Materials 2017, 7, 1701189). Sulu lityum iyon piller ve sulu sodyum iyon pillerle karşılaştırıldığında, sulu potasyum iyon pillerin daha fazla avantajı vardır. Ana nedenler: birincisi, yer kabuğundaki potasyum içeriği, büyük bir maliyet avantajına sahip olan lityumun 1290 katıdır; ikincisi, potasyumun standart elektrot potansiyeli, sodyumunkinden 0.22 V daha düşüktür, bu, aynı tür yapıdaki potasyum pozitif elektrotunun sahip olduğu anlamına gelir. Daha yüksek voltaj, böylece tüm pil daha yüksek bir enerji yoğunluğuna sahiptir; üçüncü olarak, aynı anyon ve aynı konsantrasyona sahip sulu bir çözeltide, potasyum tuzu çözeltisinin iyon iletkenliği, lityum tuzu ve sodyum tuzununkinden çok daha yüksektir; Elektrolit olarak potasyum tuzu sulu çözeltisinin kullanılması, tüm pilin daha hızlı şarj ve deşarj özelliklerine sahip olmasını sağlayabilir. Bununla birlikte, birçok elektrot malzemesinin suda çözünmesi ve geleneksel su bazlı elektrolitlerin dar voltaj penceresi (2 V'tan az) nedeniyle, su bazlı pillerde elektrot malzemelerinin seçimi büyük ölçüde kısıtlanır. Bu nedenle, geniş bir voltaj aralığına sahip yüksek performanslı potasyum bazlı katotlar, anotlar ve elektrolitlerin araştırılması, sulu potasyum iyon piller alanında çözülmesi gereken temel bir sorun haline geldi.
Yakın zamanda, araştırmacı Hu Yongsheng ve yardımcı araştırmacı Lu Yaxiang'ın rehberliğinde, Grup E01'de PhD öğrencisi Jiang Liwei, Çin Bilimler Akademisi, Çin Bilimler Akademisi / Pekin Ulusal Temiz Enerji Araştırma Merkezi Manganezce zengin potasyum Prusya mavisi KxFeyMn1-yw · zH2O, kısmen Mn yerine Fe ile ikame edilmiş pozitif elektrot, organik boya Perylene Brilliant Purple 29 (PTCDI) (CAS: 81-33-4) negatif elektrot ve 22 mol / L triflorometansülfondur Potasyum asit sulu çözeltisi elektrolittir. Araştırma sonuçları geçtiğimiz günlerde "Nature Energy, 2019, doi: 10.1038 / s41560 -019 -0388 -0, IF = 46.86) 'da yayınlandı, makale ise Enerji Depolama için Sulu K-İyon Pilleri Yapmak başlıklı makale.
Pozitif elektrot için, P21 / n boşluk grubuna sahip manganezce zengin potasyum bazlı Prusya mavisi malzeme (Şekil 1a-b), suya dayanıklı olması ve yüksek voltaj ve yüksek kapasite avantajlarına sahip olması nedeniyle sulu potasyum iyon pilin pozitif elektrot malzemesi için ilk tercih haline gelmiştir. Bununla birlikte, manganezce zengin potasyum bazlı Prusya mavisi malzeme, düşük tuz konsantrasyonlu elektrolit içinde dolaşırken ciddi çözünme problemlerine sahiptir. Yazar, yüksek tuz konsantrasyonlu 22 mol / L potasyum triflorometansülfonat sulu elektrolit kullandıktan sonra elektrotun çözünmesinin büyük ölçüde azaldığını, ancak yine de voltaj ve döngü zayıflaması olduğunu buldu (Şekil 1c-d). Yazar ayrıca, Mn'nin bir kısmını Fe ile değiştirmenin malzeme çözünmesini azaltabileceğini ve döngü performansını büyük ölçüde iyileştirebileceğini buldu (Şekil 1e). Daha fazla optimizasyon yoluyla, K1.85 Fe0.33 Mn0.670.98 · 0.77H2O (KFeMnHCF-3565) katot malzemesinin ilk 40 döngü boyunca neredeyse hiç voltaj ve kapasite düşüşü yoktur (Şekil 1f).
Daha sonra yazar, manganca zengin Prusya mavi katodunun döngü ve hız performansını iyileştirmek için Fe'nin Mn'nin yerini almasının mekanizmasını ortaya çıkarmak için ex-situ X-ışını kırınımı (XRD), X-ışını soğurma yakın kenar spektroskopisi (XANES) ve ilk prensip hesaplamalarını kullandı. Bir yandan, Mn'nin bir kısmının Fe ile değiştirilmesi, şarjdan sonra pozitif elektrot kafesindeki Ginger-Taylor etkisi ile Mn3 + içeriğini azaltmakla kalmaz, aynı zamanda Mn2 + / Mn3 + redoks çiftinin şarj-deşarj eğrisindeki değerlik özelliklerini de değiştirir (Mn2 + / Mn3 + redoks Çift, şarj işlemi sırasında yalnızca Fe2 + / Fe3 + redoks çiftinin sırasını değiştirmekle kalmaz, aynı zamanda şarj etme ve boşaltma işlemi sırasında asimetrik hale gelir (Şekil 2b-c), bu da pozitif elektrotun yapısal evrimde orijinal ikiden değişmesine neden olur. Katı çözelti reaksiyonuna iki fazlı dönüşüm artı iki fazlı bir reaksiyon. Yani, Mn3 + zencefil-Taylor etkisiyle ilgili faz geçişi (kübik fazdan tetragonal faza) bastırılır (Şekil 2a), bu da pozitif elektrotun döngü performansını büyük ölçüde artırır. Öte yandan, birinci ilke hesaplamaları, Mn'nin bir kısmının Fe ile değiştirilmesinin, pozitif elektrotun bant boşluğunu ve potasyum iyon difüzyonunun aktivasyon enerjisini azaltabileceğini, böylece pozitif elektrot malzemesinin elektronik ve iyonik iletkenliğini artırarak malzemenin daha yüksek hız performansına sahip olmasını sağladığını göstermektedir ( Şekil 2d-e).
Negatif elektrot için, sulu potasyum iyon pilleri için kullanılabilecek çok az negatif malzeme vardır.Yazar, negatif elektrot olarak organik boya PTCDI'yi ilk kez kullandı ve PTCDI'nin 22 mol / L potasyum triflorometansülfonat elektrolit içinde yüksek bir potasyum depolama kapasitesine sahip olduğunu buldu. (125 mAh / g) ve daha iyi hız performansı (Şekil 3a). Ek olarak, 22 mol / L potasyum triflorometansülfonat yüksek tuz konsantrasyonlu sulu çözelti, bir elektrolit olarak yalnızca geniş bir voltaj penceresine (3 V) ve yüksek iletkenliğe (25 ° C'de 76 mS cm-1, -20 ° C'de 10 mS) sahip değildir. cm-1) (Şekil 3b-c) ve yüksek tuz konsantrasyonlu elektrolitte az miktarda serbest su olduğundan (Şekil 3d), pozitif ve negatif malzemelerin çözünmesi engellenebilir, böylece dolu pil yüksek voltaj, geniş sıcaklık aralığı ve yüksek güce sahip olur. , Uzun ömür ve diğer özellikler.
Geliştirilen pozitif ve negatif malzemeler ve yüksek tuz konsantrasyonlu elektrolit, su bazlı potasyum iyonu dolu bir bataryaya monte edildi ve 0 ila 2,6 V gerilim aralığında çalışabildiği (Şekil 4a) ve teorik enerji yoğunluğunun 80 Wh / kg'a ulaşabildiği ve ömrünün ulaşabileceği bulundu. 2000 kata kadar (tutma oranı% 73) (Şekil 4b). Yazarın ayrıca 11 mAh sulu potasyum iyonu yumuşak paket pili monte ettiğini ve yumuşak paket pilin iyi düşük oranlı (0.1C ve 0.5C) ve yüksek ve düşük sıcaklık (-20-60 ) performansını sergilediğini belirtmek gerekir (Şekil 4c-d).
Şekil 1. Mangan bakımından zengin Prusya mavisi katot malzemesinin yerini alan Fe'nin yapısı ve performans optimizasyonu. (A) Fe-ikameli KFeMnHCF-3565 katot malzemesinin XRD rafine çizimi; (b) P21 / n uzay grubu ile KxFeyMn1-yw · zH2O'nun tipik yapı diyagramı; (cf) İkame edilmemiş malzeme (KMnHCF) ve Fe ikameli Malzemenin (KFeMnHCF-3565) 1mol / L ve 22mol / L potasyum triflorometansülfonat elektrolit içinde elektrokimyası ve geçiş metali çözünmesi.
Şekil 2. Fe ikameli KFeMnHCF-3565 katot malzemesi performans iyileştirme mekanizması. (A) Şarj etme ve boşaltma sırasında yapı gelişimi; (bc) Mn2 + / Mn3 + redoks çiftinin şarj aktarım mekanizması; (de) Fe ikamesi olmadan ilk prensip hesaplama modeli yapısı K2MnFe (CN) 6 ve Fe ikameli model yapısı K2Fe0.5Mn0.5Fe (CN) 6 elektronik enerji durumu yoğunluğu (d) ve potasyum iyonu göçü aktivasyon enerjisi (e)
Şekil 3. (a) Organik anot PTCDI'nin elektrokimyasal performansı; (bd) pencere (b), viskozite / iletkenlik (c) ve 22mol / L potasyum triflorometansülfonat elektrolitin Raman spektrumları. Şekil (d).
Şekil 4. Su bazlı potasyum iyon pil performansı. (A) 0-2.6V arasında 4C'de çalışan tam pilin elektrokimyasal eğrisi; (b) 0-2.6V arasında 4C'de çalışan tam pilin döngü performansı; (cd) farklı sıcaklıklarda soft pack pil (- 20 / -10 / 25/60 ) şarj ve deşarj eğrisi (c) ve düşük hızda (0.1C / 0.5C) çalışan döngü performansı (d).
İlgili çalışma, Ulusal Bilim Fonu (51725206), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (51421002), Ulusal Anahtar Araştırma ve Geliştirme Programı (2016YFB0901500), Çin Bilimler Akademisi A Sınıfı Stratejik Öncü Bilim ve Teknoloji Projesi (XDA21070500) ve Pekin Belediye Bilim ve Teknoloji Komisyonu tarafından ödüllendirilmiştir. (Z181100004718008) ve Yangtze Nehri Deltası Araştırma Merkezi, Fizik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi'nin desteği.
Makale indirme bağlantısı:
https://www.nature.com/articles/s41560-019-0388-0
Editör: Quanta Yuan
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
1. İlk kara delik PS yarışması burada! Bu "oldukça bulanık" resim için Çinli bilim adamları ne gibi katkılarda bulundu?
2. Dört büyük fizik canavarı, "Schrödinger'in kedisi" dışında kimler var?
3. Sarkaç deneyini ne kadar büyük yeraltı altın madeni etkileyebilir? | No. 149
4. Giysiler neden tahta bir sopayla vurularak temizlenebilir? | No. 150
5. Öfkenizi dışa vurmak için, sinir bozucu söğüt kedisine bir "şiddet kontrolü" veriyoruz
6. Mayın tarlasında başka hangi beceriler var? Bir bilim adamının oyun oynama şeklini asla düşünmezsin
7. Ülkemizde hiçbir harita size gerçek konumunuzu söyleyemez
8. Müşterinin ağzında hizmet veren küçük temizleme karidesleri ve temizleyen balıklar yenmeyeceklerini nereden biliyorlar?
9. Dağ sıçanlarının sadece çığlık atabileceğini düşünüyor musunuz? Aslında seni azarlıyor olabilir
10. Bolt'un hızını ölçmek için ne kadar çok çalıştığımızı biliyor musunuz?
