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論文賞析‖一種長(zhǎng)壽命水性可充電鋁銨混合電池的最新研究

01文章簡(jiǎn)介
論文鏈接： https://doi.org/10.1002/aenm.202404254
課題組：東南大學(xué) 吳宇平，南京工業(yè)大學(xué) 付麗君&李春陽(yáng)
02研究亮點(diǎn)
1、合成了獨(dú)特的具有均勻斜角立方納米結(jié)構(gòu)的普魯士藍(lán)類似物K-FeHCF納米立方體，并系統(tǒng)地研究了其作為容納非金屬NH??的宿主材料的電化學(xué)性能。其能提供優(yōu)異的79.8mAh g?¹的容量以及出色的倍率性能。此外，其能維持超過(guò)100000次循環(huán)且無(wú)容量衰減的超長(zhǎng)循環(huán)壽命，這使得K-FeHCF成為各類嵌入型材料中最穩(wěn)定的電極材料。
2、基于高度穩(wěn)定的K-FeHCF正極以及成本較低的金屬鋁負(fù)極，提出了一種概念驗(yàn)證型的水系可充電鋁-銨混合電池。該電池實(shí)現(xiàn)了1.15V的平均工作電壓、優(yōu)異的倍率性能以及89.3Wh kg?¹的能量密度，且展現(xiàn)出超過(guò)10000次循環(huán)且無(wú)容量衰減的卓越循環(huán)穩(wěn)定性。該工作為設(shè)計(jì)用于電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能的高性能水系鋁基電池提供了新的思路。
03測(cè)試方法
作者采用三電極體系測(cè)試K-FeHCF正極的電化學(xué)性能：碳棒為對(duì)電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，1M氯化銨溶液作為電解質(zhì)。鋁-銨混合電池(AAHB)由K-FeHCF正極、鋁負(fù)極（厚度約2mm）以及飽和氯化鋁與1 M氯化銨混合電解質(zhì)組成。
作者使用東華分析DH7006B電化學(xué)工作站進(jìn)行了循環(huán)伏安法（CV）以及電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試。其中電化學(xué)阻抗譜(EIS)測(cè)試頻率范圍為100kHz 至0.01Hz。三電極體系及全電池中K-FeHCF電極活性物質(zhì)質(zhì)量約為2.1mg，平均活性物質(zhì)負(fù)載量約為5mgcm?²。
04測(cè)試結(jié)果
K-FeHCF電極在0.3mV s?¹掃描速率下的前三次循環(huán)伏安（CV）曲線（1a）顯示出一對(duì)位于0.213/0.28 V（vs SCE）的氧化還原峰。圖2b展示了K-FeHCF在不同掃描速率下、電壓范圍從-0.1至1.05V的CV曲線，考慮到氧化還原峰電位的微小外移，這表明其具有卓越的倍率性能。
通過(guò)擬合A1和C1峰的log(峰值電流)與log(掃描速率)圖（圖1c），研究了NH??離子（脫）嵌入過(guò)程中K-FeHCF電極的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。相應(yīng)的斜率分別為0.61和0.58，表明離子擴(kuò)散主導(dǎo)了該電化學(xué)反應(yīng)。圖1d, 1e展示了其優(yōu)秀的倍率性能和循環(huán)性能，如此優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)于大多數(shù)已報(bào)道的水系嵌入型電極材料，這可能歸因于與氮（N）配位的高自旋 FeIII 的超穩(wěn)定氧化還原反應(yīng)。

圖1 K-FeHCF電極對(duì)NH4+離子的電化學(xué)性能。a) 0.3 mVs^-1下的前三次CV曲線。b) 不同掃速下的CV曲線。c) A1和C1峰的Log (峰電流)對(duì)Log (掃速)曲線。d) 倍率性能。e) 3Ag^-1下的長(zhǎng)期循環(huán)性能。f) 循環(huán)前后K-FeHCF電極的FTIR光譜。g) K-FeHCF電極在選定電壓下的典型恒電流充電/放電曲線和相應(yīng)的非原位XRD圖譜。h) K-FeHCF電極在充電和放電狀態(tài)下的非原位57Fe穆斯堡爾譜。

作者測(cè)試了電化學(xué)阻抗譜（EIS）以分析K-FeHCF的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程（圖2b）。通過(guò)基于相關(guān)等效電路對(duì)EIS曲線進(jìn)行擬合后，得到1.0歐姆的等效串聯(lián)電阻和6.4歐姆的電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）。較低的Rct值表明電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程迅速，與優(yōu)異的倍率性能一致。

圖2 b) K-FeHCF電極的Nyquist圖和擬合圖

圖3 Al//K-Fe HCF AAHB的電化學(xué)性能。a) Al//K-Fe HCF AAHB的示意圖。b) 50mAg-1電流密度下的充放電曲線。c) 不同掃描速率下的CV曲線。d) 不同電流密度下的倍率性能。e) 1000mA g-1電流密度下的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。f) Al//K-Fe HCF AAHB與最近報(bào)道的水系鋁金屬電池和Zn//PBA電池的性能比較。g, h) 10和100 h的靜置實(shí)驗(yàn)。

作者通過(guò)在飽和AlCl?與1MNH?Cl混合電解液中耦合高耐久性K-FeHCF正極與鋁負(fù)極，組裝了一種概念驗(yàn)證型水系可充電鋁-銨混合電池（AAHB）（圖3a）。圖3b展示了組裝的Al//K-FeHCF AAHB在0.8-1.95V電壓窗口下的典型充放電曲線。圖3c展示了0.1至2.0mV s?¹不同掃描速率下的CV曲線。圖3d, 3e展示了Al//K-FeHCF鋁-銨混合電池（AAHB）優(yōu)秀的倍率性能和循環(huán)性能。
圖3f通過(guò)對(duì)比，顯示出Al//K-FeHCF AAHB的循環(huán)穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于其他已報(bào)道的研究成果。此外，為探究副反應(yīng)對(duì)AAHB性能的影響，設(shè)計(jì)了靜置實(shí)驗(yàn)。在250mA g?¹電流密度下充電至1.95V后，靜置10小時(shí)和100小時(shí)的容量保持率分別為98.13%和92.57%（圖3g, h），表明副反應(yīng)在電池儲(chǔ)存期間影響較小，該電池具有良好的儲(chǔ)能性能。
05作者介紹
吳宇平：教授，博士生導(dǎo)師

新一代儲(chǔ)能中心執(zhí)行主任，英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士，德國(guó)薩克森科學(xué)院通訊院士。共發(fā)表530多篇學(xué)術(shù)論文，H-指數(shù)108+；獲得中國(guó)、美國(guó)、日本在內(nèi)授權(quán)發(fā)明專利31項(xiàng)。2014年獲得“國(guó)家杰出青年科學(xué)家”稱號(hào)，多次入選“全球高被引科學(xué)家”之列；2015年被湯森路透從“全球高被引科學(xué)家”評(píng)為“全球最具影響力的科研精英”。擔(dān)任Energy Materials（IF=11.8）的創(chuàng)刊主編、Energy & Enviromental Materials的副主編和其它一些刊物的編委等職務(wù)。主要從事鋰離子電池及其關(guān)鍵材料、超級(jí)電容器、水系電池等儲(chǔ)能方面的研究和開(kāi)發(fā)工作。
付麗君：教授，博士生導(dǎo)師

國(guó)家優(yōu)秀青年基金獲得者，江蘇省特聘教授。2004年和2010年在復(fù)旦大學(xué)獲學(xué)士和博士學(xué)位，后在中科院上海硅酸鹽研究所和德國(guó)馬克斯普朗克固態(tài)所從事研究工作，2015年5月入職南京工業(yè)大學(xué)。擔(dān)任Elsevier《Solid State Ionics》副編委、Elsevier《Chinese Chemical Letters》（中國(guó)化學(xué)快報(bào)）青年編委。獲第五屆中國(guó)大學(xué)生動(dòng)力電池創(chuàng)新競(jìng)賽優(yōu)秀導(dǎo)師獎(jiǎng)、IUPAC江教授新材料青年獎(jiǎng)、張家港市獎(jiǎng)教金、上海市優(yōu)秀博士論文等獎(jiǎng)勵(lì)。研究方向?yàn)殡娀瘜W(xué)儲(chǔ)能；鋰（離子）電池；水系鋅離子電池；水鋰電；鈉（離子）電池。
李春陽(yáng)：特任副研究員

主要從事高比能鈉離子電池正極材料和固態(tài)電解質(zhì)材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。2019年在南京工業(yè)大學(xué)獲得工學(xué)博士學(xué)位（導(dǎo)師：黃維院士和吳宇平教授）。畢業(yè)后前往阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)開(kāi)展博士后研究（合作導(dǎo)師：賴志平和黃國(guó)偉教授），2022年加入中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料系余彥教授課題組從事科研工作至今。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，主持國(guó)家自然科學(xué)基金委青年科學(xué)基金（C類）和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目。

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