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基于四電子反應(yīng)的可快充Zn-Se電池獲新進展

發(fā)布日期：2022-04-22 閱讀量：625

清華大學(xué)化學(xué)系，Nano Research Energy (https://www.sciopen.com/journal/2790-8119?issn=2790-8119)創(chuàng)刊主編曲良體教授團隊在Zn-Se電池快速充電領(lǐng)域取得新進展，相關(guān)成果于清華大學(xué)4月6日發(fā)表在國際頂級刊物Nature Communication上。

硒（Se）是一種具有發(fā)展前景的正極材料，目前主要與堿金屬（Li、Na、K）負(fù)極構(gòu)成基于有機電解液的Li/Na/K-Se電池。Se正極在這些電池體系中基于2電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，其理論比容量為675 mAh·gSe?1。此外，這些Se-基電池的倍率性能通常較差。

曲良體教授團隊與北京理工大學(xué)張志攀教授、中國科學(xué)院力學(xué)研究所劉峰副研究員等制備了一系列Se@C正極材料，以Cu2+為正極的載流子，以Cu或者Zn為負(fù)極，組裝電池進行電化學(xué)性能測試。通過原位XRD、非原位XRD、非原位TEM、非原位XPS等表征技術(shù)研究Se正極在充放電過程中發(fā)生的變化。通過恒電流間歇滴定法（GITT）研究了Cu2+在充放電過程中的擴散系數(shù)。

以Cu2+作為Se正極的載流子時，Se正極發(fā)生四電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)：Se?CuSe?Cu3Se2?Cu2?xSe?Cu2Se（圖1），其理論比容量是有機系Se正極（以Li+、Na+、K+為載流子）的2倍。此外，其電極電位相比于有機系Se正極提高了1.5 V左右。其氧化還原電位的提高與CuSe的超低溶解度有關(guān)（CuSe的溶解度積常數(shù)Ksp為7.9 × 10?49）。

由于在充放電過程中的中間產(chǎn)物難溶于水，因此可以從根源上避免有機系Se基電池中多硒化物的穿梭效應(yīng)。Cu|0.5 M CuSO4|Se@C-48紐扣電池能夠在5分鐘內(nèi)充電800 mAh gSe?1（充電電流10 A g?1）。且當(dāng)Se@C中Se含量提高至65%時，電池的快充性能無明顯變化（圖2）。Zn|0.5 M ZnSO4 ||0.5 CuSO4 |Se@C全電池可以在9分鐘內(nèi)的充電到900 mAh gSe?1，顯示出具有發(fā)展為快充電池的潛力（圖3）。第一性原理計算表明，放電中間產(chǎn)物具有優(yōu)異的電子導(dǎo)電率，此外，充放電過程中的體積效應(yīng)能夠促進充放電速率。

這個新型的四電子Se正極化學(xué)不僅打破了傳統(tǒng)硒基電池理論比容量，而且豐富了水儲能系統(tǒng)。

相關(guān)論文信息：

Nature Communications volume 13, Article number: 1863 (2022)

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29537-5

作為Nano Research姊妹刊，Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119; Official Website: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119?issn=2790-8119)于2022年3月由清華大學(xué)創(chuàng)辦，曲良體教授和香港城市大學(xué)支春義教授共同擔(dān)任主編。是一本國際化的多學(xué)科交叉，全英文開放獲取期刊，聚焦納米材料和納米科學(xué)技術(shù)在新型能源相關(guān)領(lǐng)域的前沿研究與應(yīng)用，對標(biāo)國際頂級能源期刊，致力于發(fā)表高水平的原創(chuàng)性研究和綜述類論文。2023年之前免收APC費用，歡迎各位老師踴躍投稿。