多價態離子
關注創建者：金fanfan銀fanfan 創建時間：2018-11-02
多價態離子的實例教程
多價態離子（Zn2+、Mg2+、Ca2+和Al3+等）電池是近些年電化學儲能領域研究的熱點。與鋰離子電池相比，多價態離子電池顯示出特有的動力學、熱力學特征與電化學性能。其中，基于二氧化錳正極和金屬鋅負極的水系鋅離子電池具有安全、環保、較高的比容量等優勢。包括鋅離子電池在內的多種電池具有比超級電容器高的能量密度，然而其倍率性能和功率輸出卻低得多。
近來，清華大學深圳研究生院的徐成俊副研究員和董留兵博士等人基于多價態離子存儲機制構筑了水系鋅離子混合超級電容器（Multivalent ion storage towards high-performance aqueous zinc-ion hybrid supercapacitors, Energy Storage Materials, 2018, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.10.020），其中二氧化錳納米棒為正極、高比表面積活性炭為負極、鋅離子水系溶液為電解液（圖1）。該儲能體系以鋅離子在二氧化錳隧道中的可逆嵌入/脫出以及離子在活性炭表面的吸脫附作為主反應機制，并伴隨有堿式硫酸鋅的生成/溶解；基于對體系內部電化學反應機理的研究，調節電解液組分，實現了對體系內部電化學反應的合理調控，使得該儲能體系的電化學性能得到進一步優化。
圖1. 二氧化錳//活性炭（
MnO2
//AC）鋅離子混合超級電容器結構示意圖
具體來說，如圖2所示，該儲能器件工作電壓為0-2 V，與傳統二氧化錳//硫酸鈉電解液//碳非對稱超級電容器具有相近的電壓區間。
展開 “COMSOL多物理場耦合仿真技術與應用-鋰離子電池”
1. COMSOL 仿真基礎
1.1 數值仿真基本要素及其在 COMSOL 中的對應
1.1.1 模型參數與變量
1.1.2 物理場添加及電解條件設置
1.1.3 模型構建與網格劃分
1.1.4 求解器類型與設置
1.1.5 后處理及數據分析
1.2 COMSOL 中鋰離子電池接口介紹
1.2.1 電池基本物理過程及控制方程
1.2.2 常用電池邊界條件及初始條件
1.2.3 常用電池電極材料參數設置
2. 鋰離子電池 P2D 模型
2.1 P2D 模型的理解與分析
2.2 COMSOL 中電池 P2D 模型構建
2.2.1 模型參數輸入
2.2.2 模型構建及模型材料設置
2.2.3 電池物理方程及參數設置
2.2.4 網格劃分與求解器設置
2.3 電池典型充放電過程仿真及后處理技巧
3. 鋰離子電池電化學-熱耦合模型
3.1 P2D 電化學模型與電池熱模型耦合
3.2 電池集總參數模型及其與電池熱模型耦合
3.3 兩種電池電(化學)-熱耦合模型的區別及應用場景
3.4 圓柱形或方形鋰離子電池建模及仿真演示 (二選一)
4. 鋰離子電池衰退模型及仿真
4.1 COMSOL 中電池充放電循環仿真
4.1.1 電池充放電循環邊界條件設置
4.1.2 電池加速衰退設置
4.1.3 電池充放電循環仿真后處理技巧
4.2 鋰離子電池常見衰退現象及其數學描述
4.2.1 負極 SEI 膜增厚過程仿真
4.2.2 活性鋰損失計算
4.3 鋰離子電池衰退模型構建及仿真演示
5.
展開 近日，湖南大學材料科學與工程學院張世國教授團隊在Advanced Materials發表研究論文，報道一種高粘附性的聚離子液體材料。
膠粘劑材料在多個領域都有著廣泛的應用場景。盡管近年來許多基于多巴胺結構的高分子膠粘劑廣為報道，但其存在的不可逆氧化交聯、合成繁瑣、循環性能差等問題卻始終存在，開發一種新型多功能膠粘劑仍是一個巨大的挑戰。
離子液體，由有機陽離子和無機或有機陰離子組成的一類室溫熔融鹽，具有諸多常規有機分子不具備的特性，例如，極低的蒸氣壓、不可燃性、高離子導電性、與各種有機/無機材料間良好的相容性，以及高(熱、化學和電化學)穩定性等。由于大多數離子液體在室溫處于液態，直接使用離子液體作為一種膠粘劑材料使用顯得不切實際。聚離子液體，結合了離子液體固有的化學性質和聚合物的基本物理性質（機械耐久性和可加工性等），表現出了直接作為膠粘劑材料使用的可能性。然而，由于其過高的玻璃化轉變溫度(Tg)使得目前報道的大部分聚離子液體材料在室溫下大多都是質地偏脆的固體粉末。此外，一般的聚離子液體本身幾乎沒有粘附特性，不能直接作為膠粘劑使用。
圖1 烷氧基聚離子液體(PIL-m-TFSI)及其它對比樣品的結構式
本研究表明，通過在含有雙(三氟甲磺酰亞胺)(TFSI?)陰離子的聚離子液體的陽離子主鏈上簡單地引入烷氧基側基，傳統的聚離子液體就可以設計成高效的膠粘劑，如圖1所示。
展開 ：受指紋結構啟發構筑超高應變感知褶皺型離子導電芯鞘纖維
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展開 最近，青島大學材料科學與工程學院隋坤艷教授和美國馬里蘭大學帕克分校化學與生物化學系聶志鴻教授，受人體皮膚組成以及傳感原理的啟發，研發出一種基于海藻多糖超分子納米纖維水凝膠的離子皮膚傳感器。
該研究采用一價無機鹽(如NaCl)誘導半剛性海藻酸鈉（SA）分子自組裝形成基于多重氫鍵的超分子納米纖維網絡作為能量耗散網絡，聚丙烯酰胺（PAM）化學交聯網絡依然作為支撐彈性網絡；與此同時，NaCl和SA亦可提供大量的導電離子賦予水凝膠高的導電性，從而實現水凝膠中力學網絡和導電網絡二者之間協同效應機制的構筑。基于此，該水凝膠從組成上和結構上（SA納米纖維、PAM彈性網絡、NaCl）可模擬人體皮膚（膠原蛋白纖維、彈性纖維、無機鹽）。制備得到的水凝膠呈現出高透明度(99.6%)、高拉伸強度(0.75 MPa)、抗壓縮（汽車碾壓后立刻回彈）、高延展性(3120%)、高韌性（4.77 MJ m-3）、高應變下依然保持高彈性等優異性能。進而應用于離子傳感器，展現出高靈敏度、寬應變響應范圍(0.3%~1800%)、優異的貼合性和穩定性，并且可以在0.04V的低電壓下工作，能夠實現對人體從大幅度運動（四肢）到微小形變（發音、脈搏）等即時及穩定檢測。該成果以題為“Supramolecular Nanofibrillar Hydrogels as Highly Stretchable, Elastic and Sensitive Ionic Sensors”發表在國際知名期刊Materials Horizons上。
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人體皮膚是一種“智能”的多功能保護性感覺器官，它可以通過各種感知功能 (如機械感、溫度感、痛覺等) 將環境刺激轉化為電信號，這些電信號可以通過相關的神經通路轉換到大腦。近年來，水凝膠成為模擬人體皮膚的感知功能和保護功能的熱點材料。然而，對環境與水凝膠材料之間的界面相互作用的研究卻很少。為此，東華大學武培怡教授課題組開發了新一代的具有診療功能的水凝膠離子皮膚
【科研摘要】
新型無液體離子導電彈性體是通過丙烯酸 (AA) 在可聚合深共熔溶劑 (PDES) 中聚合制備的。最近, 華南理工大學祁海松教授/孫桃林教授團隊通過液態金屬 (LM) 納米液滴用于引發聚丙烯酸 (PAA) 鏈并將其進一步交聯成無液體聚合物網絡，無需任何額外的引發劑和交聯劑。所得無液體離子導電彈性體具有高透明度 (94.1%)、超拉伸性 (2600%) 和自主自愈能力。
近年來，柔性傳感器在人體健康/運動監測、電子皮膚和人工智能等領域受到廣泛關注。作為柔性傳感器的材料需同時具備優異的力學性能（高強度、高延展性、高彈性）、感知性能（高靈敏度、寬應變響應范圍）、貼合性、低能耗、生物相容性、易大規模制備等特點。然而，對于如何實現柔性傳感器集上述多種性能于一體，目前仍面臨很大挑戰，使其在實際中的應用受阻。最近，青島大學材料科學與工程學院隋坤艷教授和美國馬里蘭大學帕克分校化學與生物化學系聶志鴻教授
多價態離子（Zn2+、Mg2+、Ca2+和Al3+等）電池是近些年電化學儲能領域研究的熱點。與鋰離子電池相比，多價態離子電池顯示出特有的動力學、熱力學特征與電化學性能。其中，基于二氧化錳正極和金屬鋅負極的水系鋅離子電池具有安全、環保、較高的比容量等優勢。包括鋅離子電池在內的多種電池具有比超級電容器高的能量密度，然而其倍率性能和功率輸出卻低得多。
此外，盡管V2O5在鋰離子電池中已被廣泛研究且反應機理明確，但是多價態陽離子在其晶體結構中的脫嵌行為相對復雜，其儲鋅機理有待闡明。
