堿金屬電池
關注創建者：放學你等著 創建時間：2019-02-27
堿金屬電池的實例教程
【引言】
隨著人們對高密度和安全儲能的需求不斷增長，電池技術的發展需要具備高容量、穩定的循環性能和長壽命。Li和Na等堿金屬由于理論比容量高和氧化還原電位低而受到廣泛研究。但堿金屬負極由于庫侖效率低、枝晶生長嚴重，在實際應用中面臨著巨大的挑戰。其中，金屬電極表面的細微波動和不均勻的固體電解質界面（SEI）導致了電極界面電荷分布的不均勻，從而導致了不均勻的金屬沉積；另一個限制是堿金屬負極在循環期間不可避免的體積變化，其不斷的界面重構誘導SEI膜在表面上的破裂和形成，并消耗電池系統中的金屬源，導致電池的嚴重安全隱患和壽命縮短。因此，設計一種具有親堿金屬性的載體骨架來抑制枝晶的生長是十分必要的。
【成果簡介】
近日，浙江大學陸盈盈教授團隊（通訊作者）報道了具有優異親Na/Li的多級Co3O4納米纖維-碳片（CS）骨架，作為堿金屬電極的穩定基體。采用商用導電碳布作為一級結構，采用簡單的水熱法制備垂直生長的二級Co3O4納米纖維，之后再將熔融堿金屬注入骨架中形成金屬/Co-CS復合負極。與傳統的銅網和鎳泡沫等3D金屬集流體相比，所制備的Li/Na-Co碳片復合負極具有四個主要優點：1）堿金屬與Co3O4反應的自由能變化ΔG為負，導致熔融堿金屬與Co3O4反應形成Li2O和Co，從而降低了基體的表面能。2）在劇烈反應之后，納米纖維仍然可以牢固地粘附到碳纖維基質上，為沉積Li提供物理限制，并與足夠的電解質/電極接觸，為Li/Li+或Na/Na+氧化還原反應的提供了充足的電荷轉移位點，從而引導均勻的成核。3）COMSOL模擬表明，這些垂直生長的納米纖維有效地分散了鋰離子流，從而降低了每根碳纖維上的局部電流密度，進一步抑制了金屬離子的不均勻沉積。
展開 鎳鈷錳酸鋰（Li（NiCoMn）O2）（LiNiCoMnO2），這是一種由鎳、鈷、錳三種金屬氧化物與鋰結合制成的鋰離子電池三元正極材料。鎳鈷錳酸鋰結合了其它材料的優點，如LiCoO2良好的循環性能、LiNiO2的高比容量、LiMnO2的高安全性及低成本，被認為是動力電源的理想選擇。
鎳鈷錳酸鋰材料結構圖
依據3種元素的摩爾比(x∶y∶z比值)的不同，分別將其稱為不同的體系，如組成中鎳鈷錳摩爾比(x∶y∶z)為1∶1∶1的三元材料，簡稱為333型;摩爾比為5∶2∶3的體系稱之為523體系，摩爾比為8∶1∶1的體系，稱之為811體系。
表面殘堿的產生
Ni的作用：提高增加材料的能量密度，但鎳含量高會導致三元材料表面形成Li2O，Li2O易與空氣中的CO2和H2O反應生成Li2CO3和LiOH。
一、電位滴定儀原理
國高材分析測試中心電位滴定儀
咨詢電話：020-66221668
化學滴定分析：根據滴定所消耗的標準溶液的濃度和體積以及被測物質與標準溶液所進行的化學反應計量關系，利用指示劑顏色的變化來指示終點的滴定分析方法。可以分為：酸堿滴定法、氧化還原滴定法、配位滴定法、沉淀滴定法。
電位滴定法：利用電極電位的突變指示終點的滴定分析方法。
電位滴定裝置圖
電位滴定法與指示劑滴定法相比：
不受指示劑的限制，利用電位突變來確定終點
渾濁液體，有色液體的滴定
可用于連續滴定、微量滴定、非水滴定等
兩種滴定終點方式：
終點滴定EP：已知滴定的結束條件，滴定到指定的pH值或電位值。
展開 今年3月，加利福尼亞能源委員會（California Energy Commission）向Sepion資助140萬美元，以推動其安全無陽極混合鋰金屬電池的開發，從實驗室規模驗證到預原型。該項目將持續到2024年3月，會增強兩個關鍵組件電解質和集電器，從而顯著提高鋰金屬電池的安全性、循環壽命、快速充電能力和成本。
Sepion隔膜與優化電解質存在協同作用，可將進一步區分該項目中的混合鋰金屬電池，并將全電池設計從技術就緒水平（TRL）4提升到6。Sepion將與全球領先汽車制造商一起生產和驗證原型鋰金屬電池。
-END-
展開 在中等電流下，由此產生的非活性金屬鈉并不是永久“死亡”的，它可以通過在低剝離電流下重構來重新激活。密度泛函理論 (DFT) 計算表明，與Li相比，Na的不利剝離行為源于其較低的表面能和剝離能。當以高倍率充電時，沉積的Na含有大量來自電解液分解產生的永久性失活的Na，導致電極失效。
圖1.鋰和鈉金屬電極之間的倍率性能差異示意圖。二、Na金屬的沉積/剝離行為為了研究放電倍率性能，Na||Cu電池使用一種協議進行測試，其中充電電流（即金屬沉積）保持恒定在0.5 mA/cm，并且隨后放電步驟（即金屬剝離）在0.5到10 mA/cm之間變化（圖2a）。結果表明，電池在2 mA/cm具有正常的剝離行為，放電電壓趨平（圖2b，c）。在更高的電流密度下，放電過電位顯著增加（圖2b）；有趣的是，快速放電中損失的容量在低倍率下仍然可用。例如，在以5mA/cm放電結束后（達到1 V），電極可以進一步以0.5mA/cm的低電流放電，最終恢復93.9%損失的容量（圖2d）。此外，發現低倍率放電過程重新激活電極以進行快速放電。
圖2.（a）鈉金屬電極的倍率性能測量示意圖；（b，c）Na||Cu電池以0.5mA/cm充電，然后在不同電流密度下放電的電壓曲線和CEs；（d）Na||Cu電池在0.5mA/cm下充電，5mA/cm下放電，然后在0.5mA/cm充電的電壓曲線。三、鈉沉積/剝離過程中形貌此外，為了了解鈉金屬負極的放電倍率性能，探究了鈉沉積/剝離過程不同階段的鈉形貌。該Na金屬層可以在0.5 mA/cm以接近100%的高CE下完全剝離，當以3 mA/cm的高電流密度剝離時，只能獲得約30%的低CE（圖2c)。作為對比，本文還將0.5mA/cm的低電流下剝離已沉積的Na金屬薄膜，達到30%的截止CE，剩余的Na在靠近Cu的區域表現出致密的結構（圖3c)。
展開 第一作者：呂彥蓉
通訊作者：何章興 教授
通訊單位：華北理工大學
DOI：10.1016/j.jmst.2020.09.042
全文速覽
該論文介紹了近年來金屬和金屬氧化物催化劑在全釩液流電池中的應用并研究了其催化性能和機理。從貴金屬和賤金屬兩個方面對金屬催化劑進行了分類。根據同族元素的相似性質，對金屬氧化物催化劑進行了分類和討論。最后總結了金屬和金屬氧化物催化劑的研究進展，并對全釩液流電池催化劑的設計與開發進行了展望。
背景介紹
隨著社會經濟和技術水平的快速發展，一系列能源和環境問題也隨之出現。發展清潔能源已經成為解決這一系列問題的關鍵。清潔能源具有不穩定性，需要與儲能設備相結合才可以并入電網。全釩液流電池（釩電池）是一種具有高可逆性、長壽命和快速響應等優點的高效儲能裝置。
電極是釩電池的關鍵部件。碳基材料具有耐酸性高、導電性強、成本低等特點，被廣泛應用于釩電池電極。然而，碳基材料的親水性較差，電化學活性較低，阻礙了其大規模應用。因此，在使用前需對碳基材料進行改性。
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鎳鈷錳酸鋰（Li（NiCoMn）O2）（LiNiCoMnO2），這是一種由鎳、鈷、錳三種金屬氧化物與鋰結合制成的鋰離子電池三元正極材料。鎳鈷錳酸鋰結合了其它材料的優點，如LiCoO2良好的循環性能、LiNiO2的高比容量、LiMnO2的高安全性及低成本，被認為是動力電源的理想選擇。
鎳鈷錳酸鋰材料結構圖
依據3種元素的摩爾比(x∶y∶z比值)的不同，分別將其稱為不同的體系
來源 | 高分子科學前沿
鋰(Li)金屬電極由于其超高的理論比容量(3860mAh g
-1)和最低的電化學電位(-3.040 V vs標準氫電極)，可以滿足下一代儲能系統的能量密度要求。然而，鋰金屬電池(LMB)的商業化有兩個嚴重的問題：不可控的鋰枝晶生長問題和不穩定的固態電解質界面(SEI)問題。(1)由于循環過程中負極側不均勻的鋰沉積，不可控的鋰枝晶生長會導致電池庫侖效率
盡管液-固界面在科學領域是最基礎的概念，但由于現有工具在納米尺度上同時研究液相和固相方面存在缺陷，因此，描述這種精細的界面仍然不盡于人意。這將導致人們對電池系統中關鍵界面的結構和化學的理解有很大的差距。
在此，來自美國斯坦福大學的Wah Chiu
液體電解質（LE）不僅存在泄露和可燃性問題，而且在鋰金屬電池（LMB）充放電過程中存在枝晶鋰的生成和過熱現象，造成可怕的安全隱患。而由功能性的聚合物骨架材料和液體電解質構成的凝膠聚合物電解質（GPE）擁有高的離子電導率，高的鋰離子遷移數，寬的電化學窗口和稀少的電解液泄露等優勢，被廣泛深入地研究
蓋世汽車訊 據外媒報道，索爾維風險投資基金索爾維風投（Solvay Ventures）對電池初創公司Sepion進行投資。Sepion總部位于加利福尼亞，專門為采用鋰金屬陽極和液體電解質的電池提供先進隔膜。該公司在此輪投資中共獲得1600萬美元，由Fine Structure Ventures領投，其他氣候技術投資者參投。Sepion將使用此筆資金加速實現鋰金屬電池的商業化
蓋世汽車訊 據外媒報道，廈門大學的研究團隊開發了一種新策略，可用于制造無枝晶鋰金屬電池，其基礎是利用預隧穿石墨層在石墨中形成夾層和層內原子通道。所獲得的原子通道，能夠支持鋰快速自由地擴散，并具有增強動力學特性。
（圖片來源：greencarcongress）
以鋰作為儲能系統中的負極材料，
蓋世汽車訊 隨著能源需求日益增長，以及化石燃料減少，利用可再生能源發電，具有重要意義。而且，對于工業進步和人類福祉而言，能源存儲與能源生產同樣重要。超級電容器具有價格低、能量密度相對較高、比電容高、電容保留率高、可再生性等優點，是一種極具吸引力的電化學儲能系統。
（圖片來源：AZOM）
作為各種儲能技術中的電極材料
蓋世汽車訊 據外媒報道，瑞典皇家理工學院的研究人員表示，首次利用超聲波從電動汽車NMC（鎳錳鈷）電池中提取了有價值的金屬，這對于電池回收工藝而言，是一項重大貢獻。該項研究由瑞典皇家理工學院和電池制造商Northvolt合作開展。
超聲波提取電池金屬（圖片來源：瑞典皇家理工學院）
瑞典皇家理工學院聚合材料研究員
研究表明，作為鋰金屬負極的低成本替代材料，鈉金屬負極在高能量電池中的應用越來越受到關注。鈉金屬電池充/放電電流密度通常小于3mA/cm。隨著充放電倍率的增加而導致的容量減少具有動力學起源，當電流密度降低時可以恢復。盡管已經為提高鈉金屬電極的可逆性和循環壽命進行了廣泛的研究，但它們的倍率性能，即高電流下鈉金屬的沉積/剝離，尚未得到充分探索。
【成果簡介】鑒于此，美國耶魯大學王海梁教授和賓夕法尼亞大學
