<video id="fz3vv"><big id="fz3vv"><th id="fz3vv"></th></big></video>

        <var id="fz3vv"><thead id="fz3vv"></thead></var>
        <ruby id="fz3vv"><span id="fz3vv"><span id="fz3vv"></span></span></ruby>

            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命

            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命
            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命

            研究背景

            水系鋅離子電池(ZIBs)具有高容量、低成本和高安全性,這使其成為最有前途的新型儲能體系。當前,關于ZIB的大多數研究都集中在開發具有更高容量的正極并優化Zn負極的循環性能。但就ZIB的實際應用而言,長期以來人們一直忽略了電池的“存放壽命”(存放電池的時間)。水系ZIBs在存放時性能迅速惡化。這些可以歸因于水溶液性質對溫度的高度敏感性以及Zn金屬負極與水系電解質之間的副反應,包括腐蝕、析氫(HER)和鈍化。這些副反應可能導致界面電阻(Ri)增加,使鋅負極利用率降低,最終降低了ZIBs的存放壽命。
            為了提高ZIBs的存放壽命,“鹽包水”、水合熔體電解質和水凝膠電解質等方法似乎能起到一定的作用。但這些方法只能抑制而不能完全避免HER和Zn枝晶產生,且這些電解質的成本高、難操作。因此,迫切需要開發新的電解質體系,極大地延長ZIBs的存放壽命,并保持較好的電化學性能,以促進ZIBs的實際應用。

            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命

            圖 1、a-c)不同溫度下Zn/六氰合鐵酸錳(MnHCF)軟包電池的照片,插圖為Zn負極的SEM圖;d)靜置兩周后的界面阻抗;e)循環性能。
            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命

            成果簡介

            近日,香港城市大學支春義教授(通訊作者)在Energy & Environmental Science上發表了題為“Grafted MXene/Polymer Electrolyte for High Performance Solid Zinc Batteries with Enhanced Shelf Life at Low/High Temperatures”的論文。該論文首次利用聚丙烯酸甲酯(PMA)接枝MXenes來填充聚偏氟乙烯-共六氟丙烯(PVHF)制備了固體聚合物電解質PVHF/MXene-g-PMA。由于高度接枝PMA和PVHF基體之間的相互作用,MXenes得以均勻分散。室溫下,PVHF/MXene-g-PMA比PVHF基體的離子電導率高3個數量級,達到2.69×10-4 S cm-1,實現了高度可逆的無枝晶鋅沉積/剝離。所制備的固態全電池消除了HER,抑制了鋅枝晶,在2C倍率下可循環10000圈,并能在-35℃至100℃正常工作。全固態ZIBs在低/高溫下的存放壽命超過90天。
            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命

            研究亮點

            (1)通過在MXene表面化學接枝聚丙烯酸甲酯,首次獲得了在PVHF中分散良好的MXene。
            (2)所制SPE的Zn2+電導率室溫下達到2.69×10-4 S cm-1,在85℃時達到1.07×10-3 S cm-1。
            (3)基于此SPE的固態ZIB獲得了穩定且高度可逆的無枝晶鋅沉積/剝離,并提高了低/高溫下的存放壽命。
            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命

            圖文導讀

            一、MXene-g-PMA的制備、形貌和結構
            圖2a為SPE的制備過程。首先,使用LiF/HCl溶液蝕刻Ti3AlC2的Al層,以生產二維Ti3C2Tx膠體懸浮液。Ti3C2Tx片表面有豐富的末端官能團。為了增加Ti3C2Tx片表面積和與PVHF基體的相容性,通過原位表面聚合制備了PMA接枝的MXene(MXene-g-PMA)。MXene表面上豐富的羥基為PMA提供了大量的活性接枝位點。選擇PMA作為接枝聚合物是因為它在側鏈上具有豐富的H原子,可以與PVHF形成F-H氫鍵。通過刮刀涂覆PVHF,MXene-g-PMA和三氟甲磺酸鋅(Zn(OTF)2)在二甲基甲酰胺(DMF)溶劑中組成的漿料,然后真空干燥除去DMF,來制造SPE。隨后,將三種不同含量的MXeneg-PMA引入,稱為PVHF/MXene-g-PMAx,其中上標x是MXene-g-PMA與PVHF的重量比,范圍為0.01、0.05和0.1。原始Ti3C2Tx為具有光滑表面的2D薄片,可有效增強聚合物鏈遷移,改善離子電導率。PMA接枝后,未觀察到MXene形態明顯變化。AFM圖像也可以確認PMA成功接枝。另外,對DMF溶液中的MXene照明時,可以觀察到明顯的丁達爾效應,表明MXene-g-PMA在DMF中均勻分布。此外,XRD分析表明,PMA接枝后,仍可以檢測到MXene特征峰,表明層狀結構沒有被破壞。所有峰左移表明層距略有增加。傅里葉變換紅外光譜(FTIR)表明,在接枝反應后出現了明顯的C=O,-CH2-和C-O特征峰。

            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命

            圖 2、a)SPE整體制備過程示意圖。b)原始MXene的SEM圖像;c)MXene-g-PMA的SEM圖像; d)MXene-g-PMA的AFM和相應的高度輪廓;e)分散在DMF中的MXene-g-PMA的丁達爾效應;f)MXene和MXene-g-PMA的XRD; g)MXene,PMA和MXene-g-PMA的FTIR;h)MXene和MXene-g-PMA的TGA曲線。
            二、SPE的表征
            摻入不同含量的MXene-g-PMA膜表面均光滑,呈深色。PVHF/MXene具有明顯多孔結構,表明MXene在聚合物基體中分散性較差,而PVHF/MXene-g-PMA0.01和PVHF/MXene-gPMA0.05表面光滑,表明PMA接枝可有效促進PVHF和MXene的混溶性。當MXene-g-PMA含量增加至0.1時,膜再次變得多孔,表明MXene-g-PMA的量過多。隨著MXene-g-PMA的加入,離子電導率逐漸增加,PVHF/MXene-g-PMA0.05(25℃)達到2.69×10-4 S cm-1。MXene-g-PMA含量進一步增加至0.1會稍微降低離子電導率,這可歸因于膜的多孔結構對離子轉移的抑制。與PVHF和PVHF/MXene相比,PVHF/MXene-g-PMA0.05在-25℃至85℃下均具有優越的離子電導率。在85℃時PVHF/MXene-g-PMA0.05的離子電導率可達到1.07×10-3 S cm-1,遷移數(tZn2+)約為0.16。
            PVHF/MXene-g-PMA0.05的分解溫度比PVHF低,這可以歸因于接枝PMA的引入。在170℃之前的重量損失很小,證明不包含殘留溶劑。將MXene-g-PMA引入PVHF會明顯影響PVHF的玻璃化轉變,PVHF/MXene-g-PMA0.05的玻璃化轉變溫度比PVHF低7.9℃,表明增強的聚合物鏈動力學,這對于SPE中的離子傳輸至關重要。同時,與PVHF相比,PVHF/MXene-g-PMA0.05的伸長率顯著增加,而強度在13.2 MPa時幾乎保持不變,可以承受折疊而不損壞,顯示出極好的柔性和韌性。作為無機填料,MXene可以通過阻止氧氣的進入來提高聚合物復合材料的阻燃性。

            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命

            圖 3、PVHF/MXene-g-PMA0.05膜:a)光學圖片;b, c)表面SEM圖像;d)橫截面掃描電鏡;e)SPE的孔徑和孔隙率;f)不同含量MXene-g-PMA的SPE離子電導率;PVHF,PVHF/MXene和PVHF/MXene-g-PMA0.05:g)離子電導率隨溫度變化;h)TGA曲線;i)第二次加熱的DSC測試;j)應變-應力曲線;k)拉伸前后PVHF/MXene-g-PMA0.05膜圖片;l, m)PVHF/MXene-g-PMA0.05膜和相應的折疊形狀;n, o)在PVHF和PVHF/MXene-g-PMA0.05上進行火焰測試的圖片。
            三、SPE提升鋅負極的穩定性和可逆性
            三種SPE均有高達2.79 V(vs. Zn2+/Zn)的電壓窗口。Zn/Cu電池長循環測試表明,該電池經歷350圈循環后可保持98.9%的庫侖效率。這表明在隨后的剝離過程中,幾乎所有沉積在Cu上的Zn都可以回收。在恒電流循環中,Zn/Cu電池具有不同的沉積容量和電流密度,可以連續工作1200 h以上。此外,SPE的極化電勢較低,沉積在基體上的Zn致密且無枝晶,無氧化鋅或氫氧化鋅出現。循環后PVHF/MXene-g-PMA0.05表面保持光滑。此外,體電阻率和Ri在循環后變化不大,這得益于副反應的消除?;赑VHF和PVHF/MXene的Zn/Zn對稱電池在55℃下的循環壽命較差。但是,當將MXene-g-PMA用作無機填料時,可以在高溫下較好地進行Zn沉積/剝離,其極化電位比低溫下的低。在高溫下,Zn/Zn對稱電池的沉積/剝離時間超過200小時,沒有形成枝晶,這是由于高溫下離子電導率進一步提高。表面改性的MXene熱導率得到了顯著提高,有利于大尺寸ZIB的散熱。

            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命

            圖 4、a)SPE的LSV;b)使用鋅/銅紐扣電池進行鋅沉積/剝離的CV曲線;c)基于不同電流密度和沉積容量的Zn/Zn對稱電池中的恒電流Zn沉積/剝離 d)在0.5mA cm-2和0.5mAh cm-2下沉積/剝離1000小時后,Zn負極的SEM圖像和XRD圖。e)在55℃時,根據制備的SPE在Zn/Zn對稱電池中進行恒電流Zn沉積/剝離;f)制備的SPE熱導率。
            四、固態Zn/MnHCF全電池電化學性能。
            從固態Zn/MnHCF全電池的CV,可觀察到兩對陰極/陽極峰,這與MnHCF的二個氧化還原反應相對應。隨著掃速的提高,電化學極化變化較小,表明系統中的反應動力學較快。同時,固態Zn/MnHCF全電池還具有出色的倍率性能,在2 C下達到了10000圈的循環壽命,比容量仍保持72.3 mAh g-1。另外,制造了軟包電池并在1C下循環。在最初350圈中,可以觀察到出色的循環穩定性和低的容量衰減。并且在隨后的循環中,容量逐漸增加。光學圖像表明在循環過程中Zn/MnHCF全電池不產生氣體。

            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命

            圖 5、基于PVHF/MXene-g-PMA0.05的固態Zn/MnHCF全電池:a)不同掃速下的CV曲線;b)電流密度與掃速的對數關系;c)GCD曲線和d)倍率性能;e)2 C時的循環性能和庫侖效率;f)固態Zn/MnHCF軟包電池在1C時的循環性能;g, h)軟包電池在初始狀態和循環后的光學圖像。
            五、安全耐用的全固態ZIB
            這種全固態Zn/MnHCF電池可在-35°C下正常工作。當工作溫度從25升高到100°C時,容量可達到143.2 mAh g-1。經過高溫或低溫測試后,將溫度恢復到25°C時,可以很好地恢復容量,表明全固態Zn/MnHCF全電池具有出色的環境適應性。在-15°C和25°C的滿電狀態下存儲90天后,固體電池幾乎沒有容量損失。在所有溫度下,存放過程中電池Ri最初增加,然后逐漸穩定。在-15、25和55℃下存放后,這三個軟包電池仍可以很好地工作,并具有穩定的充/放電行為和高庫侖效率,證實了全固態ZIBs具有更長的存放壽命。將PVHF/MXene-g-PMA0.05膜在環境中放置30天,沒有觀察到形態變化,組裝的電池可以正常工作。在低溫、穿刺等惡劣條件下,電池都可以正常工作。

            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命

            圖 6、Zn/MnHCF全電池:a)GCD曲線和b)在不同溫度下的放電容量;c)存放90天后的容量保持率和界面阻抗;d)55℃下存放的固態Zn/MnHCF軟包電池照片和相應的Zn負極的SEM圖像;e)軟包電池的循環性能;f)初始狀態和g)暴露于環境中30天后SPE膜的光學圖片,SEM圖像和相應的演示圖像;h, j)固態Zn/MnHCF軟包電池在惡劣條件下工作。
            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命

            總結與展望

            在本文中,MXenes首次以高接枝密度接枝了PMA,以促進與PVHF基體形成氫鍵。所得的SPE(PVHF/MXene-g-PMA0.05)在室溫下可提供出色的離子電導率,并具有較高的Zn2+轉移數,這得益于MXene良好的分散性?;赟PE,實現了穩定且高度可逆的Zn沉積/剝離,抑制了鋅枝晶。此外,全電池無HER,且具有出色的循環性能,可以在-35℃至100℃內穩定工作。SPE的存放壽命顯著提高,由于其穩定的SPEs界面和無溶劑特性,可在低溫或高溫下存放,幾乎無容量損失。SPE還可以支持ZIB在某些惡劣條件下工作?;贛Xene的SPE,可在ZIBs中實現高安全性,耐用性和長的存放壽命,從根本上消除了ZIBs的副反應。
            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命

            文獻鏈接

            Grafted MXene/Polymer Electrolyte for High Performance Solid Zinc Batteries with Enhanced Shelf Life at Low/High Temperatures (Energy & Environmental Science, 2021, DOI: 10.1039/D1EE00409C)
            原文鏈接:
            https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/EE/D1EE00409C#!divAbstract
            香港城市大學支春義教授EES:接枝MXene/聚合物電解質提高固態鋅離子電池在高低溫下的存放壽命
            清新電源投稿通道(Scan)

            本站非明確注明的內容,皆來自轉載,本文觀點不代表清新電源立場。

            發表評論

            登錄后才能評論