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    靜電紡電池材料助力實現碳中和

    2021-06-28   易絲幫

    導語部分

    中國政府在新鮮出爐的十四五發展規劃綱要中提到:到2030年,中國力爭實現碳達峰;到2060年,實現碳中和。

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    據了解,為了響應國家政策,小米集團投資100萬人命幣用來投資電動汽車行業。因此,在新的政策和科技發展的推動下,新能源汽車將會迎來新機遇。

    今天,我們來盤點一下近期靜電紡在電池能源方面的重要研究進展。


    1.Adv. Mater.:動態自適應固態界面延長柔性固態鋰金屬電池的循環周期

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    ?東華大學俞建勇院士及丁彬研究員團隊通過溶膠-凝膠靜電紡絲技術及高溫煅燒制備了柔性LLTO納米纖維膜材料(圖1a)。

    ?隨后,將含有鋰鑭鋯氧(LLZO)納米顆粒的PVDF-b-PTFE/LiTFSI聚合物體系作為基質填充到多孔的LLTO納米纖維框架中制備了“磚-泥結構”的復合電解質(PPLL),通過簡易的熱壓技術構筑了一體化的固-固界面(圖1b)。

    ?組裝了尺寸為10cm×12cm,容量為0.5 Ah的薄膜狀NMC/PPLL/Li固態軟包電池,室溫下,該電池在彎曲、折疊甚至切割的情況下都可以在點亮8個以上串聯的燈泡,證明了PPLL復合電解質有效地改善了固態電池的安全性,并且具有用于柔性電子設備的潛力。

    DOI: 10.1002/adma.202008084


    2.Adv. Mater.:破繭化蝶——電紡絲制備多級孔納米網絡纖維燃料電池催化劑

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    ?選用ZIF與聚丙烯腈/聚乙烯基吡咯烷酮(PAN/PVP)雙高分子聚合物作為前驅體,成功“織出”一種具有四通八達高速網結構的多級孔納米纖維電催化劑。

    ?該催化劑不僅在酸性電解液中表現出優異的ORR活性和穩定性,更在燃料電池陰極中顯示出優異的高功率密度和高穩定性。

    ?在碳化過程中,PAN形成碳骨架,PVP則充當犧牲模板和致孔劑以促進碳骨架中互連的多級孔結構的形成。此外,PVP還可以作為額外的氮源去提供更多的N配位以穩定Co單原子;其次,文中采用了兩步熱處理法。

    DOI: 10.1002/adma.202003577


    3. Small:Sb2Se3/CNFs的制備及其在鈉離子電池中的應用

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    ?南開大學魏進平&周震研究者通過靜電紡絲和硒化處理制備了嵌入均勻Sb2Se3納米晶體的碳納米纖維(Sb2Se3/CNFs)。

    ?當將其用作SIBs負極時,所制備的Sb2Se3/CNFs顯示出良好的循環性能、高可逆容量和出色的倍率性能。原位X射線衍射表明,上述優異的性能可歸因于Na+嵌入、轉化反應以及與Sb2Se3合金化的結合。

    ?這種獨特的納米結構具有較大的接觸面并為體積膨脹提供了足夠的空間,從而帶來了高可逆性和長循環耐久性。

    ?本研究所制備的Sb2Se3/CNFs有望用作SIBs負極材料,尤其是在高電流密度下。

    DOI:10.1002/smll.202006016


    4. Energy Environ. Sci.:自支撐柔性SnS2@C納米纖維實現可折疊鉀離子電池

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    ?哈工大深圳慈立杰通過使用電紡絲法制備得到的柔性無粘結劑SnS2@C-2納米纖維制備出了可折疊PIBs。通過調整SnS2的比例,實現了SnS2的均勻分布和SnS2@C-x納米厚度的控制(280nm ~ 1470nm)。

    ?當用作PIBs負極材料時,制備的SnS2@C-2納米纖維表現出較高的可逆容量(457.4 mAh g-1@0.05 g-1)級,優異的循環穩定性(~ 1000圈@2.0 A g-1),和倍率性能(219.4 mAh g-1@5.0A g-1)。

    ?還對不同N摻雜位點和N、S共摻雜位點上K的吸附親合力進行了理論計算。進一步闡明了提高鉀離子擴散速率和鉀離子吸附行為的內在機制。

    ?本研究不僅為設計轉化/合金化型電極材料提供了有效的策略,同時也深刻理解了K離子存儲行為和動力學之間的關系。

    DOI: 10.1039/D0EE02919J


    5. Adv. Mater.:調控多孔碳基體中Se鏈分子構型實現高性能儲鉀

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    ?中國科大余彥教授團隊與中科院大連化物所吳忠帥研究員等團隊合作,設計并制備了小分子硒與豆莢狀氮摻雜多孔碳納米纖維復合的薄膜電極(記為Se@NPCFs)用于實現活性物質的高效利用轉化,從而顯著提高K-Se電池的電化學性能。

    ?該電極材料在0.5A g-1的大電流密度下循環1670圈后依舊保持367mAh g-1的高比容量,具有優異的長循環穩定性。不僅如此,組裝成軟包電池后,在反復彎折的情況下該電池依舊正常工作,表現出極佳的機械柔性。

    ?限域在0.5nm微孔中的小分子硒Se2首先還原為K2Se2,最終徹底轉化為K2Se,避免了生成高階多硒化物(K2Sen)遲緩的反應動力學過程,可以有效改善反應動力學,提高Se的利用率。

    DOI:10.1002/adma.202003879


    6. Small:獨立可折疊V2O3/多通道碳納米纖維電極用于超長壽命的柔性鋰離子電池

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    ?北京大學侯仰龍通過靜電紡絲和隨后的碳化處理制備了獨立可折疊的V2O3/多通道碳納米纖維(V2O3/MCCNFs)復合材料。

    ?這種V2O3/MCCNFs電極在0.1 A g-1下經過240個循環后,仍可提供881.1 mAh g-1的優異容量。即使在5 A g-1的高電流密度下循環5000次,其容量可達487.8 mAh g-1,衰減率僅為0.00323%,該電極具有超長的使用壽命,優于所報道的V2O3基負極和其他氧化物基獨立負極。

    ?這種前所未有的性能可歸因于V2O3和多通道碳納米纖維的協同作用,這不僅促進了電解質的滲透,縮短了Li+的傳輸長度,而且還增加了活性物質/電解質的接觸面積并緩沖了材料的體積變化。DOI:10.1002/smll.202005302


    7. Adv. Funct. Mater.:由電紡沸石咪唑酯骨架衍生的含Pt-Co的自支撐納米纖維電極可用于高溫PEM燃料電池

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    ?深圳大學邵靜&丹麥科技大學張文靜通過靜電紡絲法制備了一種自支撐納米纖維電極。這種薄膜型催化劑同時包含Pt-Co合金納米顆粒和嵌入由電紡沸石咪唑酯骨架衍生的N摻雜石墨化碳(Co-Nx)載體中的Co。

    ?柔性電極可直接轉移至高溫PEMFC的膜電極組件中。此外,計算模型研究表明,Pt-Co和Co-Nx之間存在協同作用,因此電極表現出優異的性能。

    ?與基于墨水的傳統催化劑涂覆方法相比,此方法簡化了電池裝置的制備和操作,Pt損失可忽略不計。

    DOI: 10.1002/adfm.202006771

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