发表时间: 2022-04-10 16:34:22
作者: 上海良允科学仪器有限公司
浏览:
在寒冷的气候条件下,几乎所有类型的电池都会出现性能损失或故障。电池在低温下性能不佳的原因通常有以下几种:(a)电极材料中的离子迁移速率降低;(b)电极的电导率低于常规电极,特别是对于广泛使用的金属氧化物电极;(c)电解质的离子电导率低于常规水平;(d)由化学反应速率降低引起的缓慢电荷转移动力学。尽管对电解质的改性可以提电池高低温性能,但这并不能解决电极反应缓慢的动力学问题。因此,设计合理的电极材料以解决缓慢的电极反应动力学问题至关重要。
有鉴于此,香港城市大学支春义教授,南方科技大学刘玮书副教授及中国科学技术大学朱文光教授等团队合作,提出了一种少层Bi2Se3(一种拓扑绝缘体)作为锌金属电池的正极材料,实现了锌金属电池低温性能的巨大改善。当少层Bi2Se3与防冻水凝胶电解质结合使用时,在的电流密度下,时电池容量比时的容量高1.3倍。此外,在时,Zn||少层Bi2Se3电池在 下进行2000次循环后,容量保留率为94.6%。相关成果以“Few-layer bismuth selenide cathode for low-temperature quasi-solid-state aqueous zinc metal batteries”为题发表在国际期刊NATURE COMMUNICATIONS上。
图文导读
Bi2Se3是一种拓扑绝缘体,具有0.3eV的显著体相带隙和单狄拉克锥表面态,由一系列五重层(Se-Bi-Se-Bi-Se)通过范德华力周期性结合而成。体相P-Bi2Se3具有有限的拓扑绝缘状态,与体相P-Bi2Se3相比,E-Bi2Se3(Bi2Se3纳米片)的一些Se-Bi-Se-Bi-Se五层(QL)具有耦合增强的拓扑表面态。
研究团队首先制备了P-Bi2Se3,然后通过水热插层法剥离得到E-Bi2Se3。通过XRD,TEM,HAADF- STEM和XPS对P-Bi2Se3和E-Bi2Se3的结构和形貌进行了表征。
图1. P-Bi2Se3和E-Bi2Se3的结构和形貌表征。
研究者团队选用HC-EGPAM水凝胶作为电解质对准固态Zn||P-Bi2Se3和Zn||E-Bi2Se3电池的电化学性能做了对比研究。在低温下,Zn||P-Bi2Se3电池的可逆容量严重降低,电化学性能测试表明,即使使用了防冻电解质,Zn||P-Bi2Se3在低温下的性能恶化也是不可避免的。与Zn||P-Bi2Se3电池的情况不同,电化学性能测试表明Zn||E-Bi2Se3电池具有优异的低温性能。
图2. E-Bi2Se3正极在电化学循环过程中的结构演变分析。
电化学过程阴极拉曼分析系统:WITec alpha300显微成像拉曼光谱仪
为了探究Zn||E-Bi2Se3电池体系具有独特低温性能的机理,研究团队通过XRD,拉曼,TEM,HRTEM,SAED,HAADF-STEM等表征手段研究了E-Bi2Se3正极在电化学循环过程中的结构演变(如图5)。
XRD测试结果显示,在放电过程中Bi2Se3发生了插层过程。通过拉曼光谱分析了电化学过程中阴极的结构稳定性。Bi2Se3的特征拉曼峰位于72 cm-1、132cm-1和174 cm-1,随着放电过程的进行,这三个拉曼峰均展宽变弱,充电过程中逐渐恢复到初始状态(图5c)。这与Zn2+离子在E-Bi2Se3中的插层和脱嵌过程相吻合,且拉曼光谱进一步排除了溶剂插入的可能性,证实了Zn2+是增大间距的唯一原因。
本文报道了一种基于少层Bi2Se3拓扑绝缘体正极、Zn负极及HC-EGPAM电解质的低温电池。与报道过的所有低温电池不同,该电池在温度越低的条件下性能越好。在较低的温度下,由于拓扑表面态的耦合优势,E-Bi2Se3实现了较高的电导率。E-Bi2Se3在较低温度下晶格振动较弱,锌离子扩散更快,拉曼和XRD结果表明,放电过程中,发生Bi2Se3中Zn2+的插层过程,导致其层间间距增大和结构扭曲,使得放电产物ZnxBi2Se3比E-Bi2Se3具有更高的电导率。结合开发的HC-EGPAM电解质具有显著的抗冻能力,使Zn||E-Bi2Se3电池在较低的温度下具有更好的性能。本次研究证明了,使用拓扑绝缘体作为电化学电极会大大提高低温电池的性能,甚至比在室温下更好。
“WITec拉曼系统灵活的可扩展性能,可轻松实现对不同温度、不同电压、不同磁场等环境下材料信息的收集。”