余桂华教授、Goodenough教授强强联手：液态钠钾合金电池

kv1004 5年前 (2019-02-01) 7733浏览

【引言】

碱金属作为负极材料具有高比容量和低氧化还原电位。然而，碱金属电池的寿命受到碱金属枝晶生长的困扰。枝晶电沉积是固态碱金属的固有特性。液态碱金属作为负极材料有望解决碱金属的枝晶的问题。钠和钾能在室温下形成液态合金。液态钠钾合金作为负极材料的广泛应用主要受到这两点影响：1.表面张力大，导致润湿性差。2.钠钾合金电池有很多因素影响载流子的选择。能储存碱离子的有机材料对环境友好、所含元素丰度极高，潜在成本低廉，对多种离子具有可逆的氧化还原行为，适合作为含有多种载流子的电池的正极材料。

【成果简介】

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授（通讯作者）和Goodenough教授带领研究人员完成了一项最新研究成果——基于液态钠钾合金的通用碱金属离子电池。他们采用真空渗透法制备钠钾合金负极，选择具有多羰基的有机物玫瑰红酸钠（SR）作为正极材料。这种基于液态金属合金和有机物的电池既可作为钠离子电池或者钾离子电池工作，皆展现出出色的循环性能。深入的化学表征和理论计算表明，有机物正极对不同载流子的优先选择性很小，同时钠钾合金负极不同碱金属离子的沉积-溶解反应受到相应电解液形成的固体电解质界面膜（SEI）的支配。利用液态金属和有机物优异的机械性能，他们还分别用钠钾合金和层状插叠的碳纳米纤维/SR纳米晶体作为负极和正极，做出了柔性的碱金属离子电池，其四层活性材料的面积容量高达 2.1 mAh cm−2。这项工作发布于国际著名学术期刊Advanced  Materials上。

【图文导读】

图1.示意图和密度泛函理论（DFT）计算

A.钠离子和钾离子插入SR的机理的示意图

B,C,D分别为钠离子插入SR的产物的LUMO、HOMO、静电势

E,F,G分别为钾离子插入SR的产物的LUMO、HOMO、静电势

图2.钠、钾、钠钾合金分别作为负极材料的对比

A,B：电压（A中的虚线为钠作为负极，红线为钠钾合金，分别在钠离子电池电解液中作为负极；B中的虚线为钾作为负极，红线为钠钾合金，分别在钾离子电池电解液中作为负极）

C:XRD图（从上到下分别为钠钾合金、钾金属在钾离子电池电解液作为负极；钠钾合金、钠金属在钠离子电池电解液作为负极）

D–G：钠钾合金负极在上述钾离子电池电解液进行循环测试后产生的SEI的XPS图

H–K：钠钾合金负极在上述钠离子电池电解液进行循环测试后产生的SEI的XPS图

图3.电池的稳定性测试

A.钠（灰线）和钠钾合金（红线）分别在上述钠离子电池电解液作为负极的稳定性

B.钾（灰线）和钠钾合金（红线）分别在上述钾离子电池电解液作为负极的稳定性

C,D.钠钾合金分别在上述钠、钾离子电池电解液作为负极的全电池的循环性能

E,F.C,D中进行的循环测试中不同循环的电压-容量曲线变化

图4.载流子和正极的谱图和计算

A.钠钾合金在上述钠离子电池电解液中作为负极的电池正极的EDS图

B.钠钾合金在上述钾离子电池电解液中作为负极的电池正极的EDS图

C.EDS测试中两种电解液形成的SEI的组成

D,E.插入不同数量的钠离子或钾离子的结构的结合能计算

图5.柔性电池测试

A.CNF和SR纳米晶体组成的层状正极的设计示意图

B.层状电极的SR层的层数与面积容量和库伦效率的关系

C、D分别为平直、弯曲状态下的柔性电池

E、F分别为恒电流电压和循环稳定性测试。

【小结】

作者团队设计了基于钠钾合金的通用碱金属离子电池，并用化学表征和DFT计算解释了其工作机理。这种电池分别作为钠离子电池或者钾离子电池都具有优异的循环性能。他们还用钠钾合金和CNF/SR制作了面积容量高达 2.1 mAh cm−2的柔性碱离子电池。这种电池的设计不仅阐明了无枝晶的液态金属合金负极，而且还代表了一种有前景的和通用的构造高性能的、安全的储能系统的方法。

文献链接：A Liquid‐Metal‐Enabled Versatile Organic Alkali‐Ion Battery（Adv. Mater. 2019, DOI:10.1002/adma.201806956）

【余教授课题组简介】

余桂华教授是德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与机械工程学院的终身教授，研究包括功能性有机和混合有机-无机纳米材料的合成与自组装，并研究化学/物理性质及在先进能源和环境技术领域的应用性能。余桂华教授作为通讯作者在Science, Nature, Nature Nanotechnology, Nature Communications, JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Chemical Society Reviews, Nano Letters, Adv. Mater., Chem, Joule, Energy Environ. Sci.等著名期刊上发表了100多篇学术论文，并多次被选作封面文章。

该论文共同第一作者为德州大学材料学与工程专业的博士后丁煜和博士生郭雪霖，通讯作者为余桂华教授。绿色储能器件是能源存储方向重要和活跃的领域之一，余桂华教授课题组利用理论和实验结合的方法，跨学科合作研究的优势，系统研究了有机功能材料的分子工程及纳米晶体的自组装及其在能源方面的利用，在该领域已经取得了一系列的前沿研究成果，并被斯坦福大学等继续研究。同时，余桂华教授课题组与Goodenough课题组深入合作，有望实现碱金属单质和液态金属合金在可穿戴电子和大规模储能方面的广泛应用。

相关优质文献推荐：

  1. Ding, X. Guo, Y. Qian, L. Zhang, L. Xue, J. Goodenough, G. Yu, " A Liquid-Metal-Enabled Versatile Organic Alkali Ion Battery", Adv. Mater. 1806956 (2019).
  2. Zhao, X. Zhou, Y. Liu, Y. Shi, Y. Dai, G. Yu, “Super Moisture-Absorbent Gels for All-Weather Atmospheric Water Harvesting”, Adv. Mater. 1806446 (2019).
  3. Guo, Y. Ding, L. Xue, L. Zhang, C. Zhang, J. Goodenough, G. Yu, "A Self-Healing Room-Temperature Liquid-Metal Anode for Alkali-Ion Batteries", Adv. Funct. Mater.28, 1804649 (2018).
  4. Zhang, Z. Niu, Y. Ding, L. Zhang, Y. Zhou, X. Guo, X. Zhang, Y. Zhao, G. Yu, “Highly Concentrated Phthalimide-based Anolytes for Organic Redox Flow Battery with Enhanced Reversibility", Chem,4, 2814 (2018). (Featured Cover)
  5. Ding, C. Zhang, L. Zhang, Y. Zhou, G. Yu, “Molecular Engineering of Organic Electroactive Materials for Redox Flow Batteries”, Chem. Soc. Rev. 47, 69 (2018)

本文由材料人编辑部kv1004供稿，材料牛编辑整理。感谢余教授在百忙之中抽空对本文进行校稿！

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