电池循环过程

在新能源材料领域，如何实现更高能量密度、更安全、更持久的锂金属电池，一直是科研界的一大难题。近日，云南大学材料与能源学院的郭洪教授团队设计了一种新型酰氨基功能化聚合物电解质，为锂金属电池的长寿命运行提供了有力保障。相关成果发表在国际期刊《能源与环境科学》上。在能源存储技术日新月异的今天，锂金属电池因其高能量密度和潜在的安全性提升，被视为未来电池技术的重要方向，其中固态电解质性能的优化尤为关键。传统聚合物电解质虽然具有界面接触性好、工业化生产潜力大等优点，但在实际应用中却面临着机械性能不足、锂离子（Li+）传输效率低、电极或电解质界面稳定性差等挑战。这些问题严重制约了锂金属电池的性能和寿命。酰氨基功能化材料设计示意图。 受访者供图针对这些挑战，郭洪教授团队提出了创新的分子设计策略，通过引入丰富的酰氨基位点，构建了一个独特的分层超分子网络，巧妙结合了永久化学交联和可逆氢键，使聚合物电解质在保持高度机械强度的同时，具备了优异的柔韧性。更重要的是，酰氨基位点的引入为锂离子提供了快速且可逆的传输通道，显著提升了电解质的离子传导性能。此外，整个聚合物基质的预去溶剂化效应也进一步促进了锂离子的传输效率，使其在电解质中的迁移更加迅速和均匀。除了优异的传输性能，这种新型聚合物电解质还能够在电极表面形成稳定的界面层，有效防止了锂枝晶的生成和界面副反应的发生。锂枝晶是锂金属电池中常见的问题，它们不仅会导致电池短路，还会加速电池的老化过程。因此，这种双重强化的界面稳定性对于提高电池的安全性和循环寿命至关重要。实验结果显示，采用这种新型电解质的锂金属电池，在循环测试中展现出了惊人的耐久性。在完整充放电情况下，磷酸铁锂正极搭配锂金属负极的电池经过850次循环后，容量保持率仍高达96.5%；而钴酸锂正极的电池则在300次循环后保持了96.8%的容量。据了解，这一新成果是对固态电解质设计的一次重大创新，证明其在实际应用中的巨大潜力，为解决锂金属电池面临的诸多挑战提供了新思路，也为未来开发更高性能、更长寿命的固态电池奠定了坚实的理论基础和材料基础，在电动汽车、储能系统等领域具有广阔的应用前景。

近日，大连化物所储能技术研究部（DNL17）李先锋研究员、郑琼副研究员团队和燕山大学唐永福教授团队合作，在钠/锂离子电池电极储能机理研究方面取得新进展。　　近年来，钠离子电池作为研究热点得到了国内外广泛关注，取得了快速发展。研究发现，具有较高Na+储存性能和循环稳定性的电极材料，对于提高钠离子电池的能量密度和倍率性能十分重要。 本工作中，研究团队设计了一种珊瑚状的FeP复合材料，该材料可锚定FeP纳米颗粒，并将其均匀分散在氮（N）掺杂的三维（3D）碳骨架（FeP@NC）上。珊瑚状FeP@NC复合材料具有较短的电荷转移路径和较高的导电氮掺杂碳网络，可显著改善复合材料的电荷转移动力学。同时，由于FeP纳米颗粒周围具有高度连续的N掺杂碳骨架和弹性缓冲的石墨化碳层，基于FeP@NC复合材料的钠离子电池（SIB）表现出优异的倍率性能和循环性能，在10A/g下经10000次循环后其容量保持率为82.0%。　　更为重要的是，针对循环过程中电池容量逐渐上升的现象，研究团队结合电化学研究和原位电镜表征分析，证实了一种独特的颗粒细化在循环过程中提高容量的作用机制，这种容量提升效果在小电流下表现得更为显著。研究表明，均匀分布在氮掺杂碳基体上的FeP纳米颗粒，在第一个循环中经历了细化-复合过程，经过数次循环后呈现出全区域细化的趋势，这种细化对周围的非晶碳产生强烈的吸附作用，引起复合材料石墨化度和界面磁化强度逐渐增加，为Na+的存储提供了更多的额外活性中心，进而提高了循环容量。这种容量提升机制也可以扩展到锂离子电池（LIBs）。研究发现，在10A/g下，经5000次循环后，基于FeP@NC复合材料的LIBs的容量保持率为90.3%，超过了已报道的FeP基复合材料的容量保持率。　　该研究提出了一种在循环过程中经颗粒细化诱导提高电池容量的新策略，为设计高性能的SIBs/LIBS负极材料提供了新思路。　　相关成果以“A Coral-Like FeP@NC Anode with Increasing Cycle Capacity for Sodium-Ion and Lithium-Ion Batteries Induced by Particle-Refinement”为题，发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。该工作的第一作者是大连化物所DNL17博士研究生王灿沛。上述研究工作得到国家自然科学基金、中科院青年创新促进会等项目的资助。　　文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202110177

近日，广东省科学院化工研究所研究员曾炜团队开发出具有超长循环寿命的柔性准固态碱性锌电池。相关研究发表于Surfaces and Interfaces。曾炜为该论文通讯作者，郭欣颖为第一作者。 　　随着便携式电子产品和电动汽车的快速发展，对具有多功能、高性能、高安全性电池的需求越来越大。碱性镍锌电池具有成本低、安全、理论容量高(820 mAh/g)和易于组装等优点，成为学界研究热点。然而，镍锌电池的实际应用还存在着结构不稳定和循环稳定性差等问题。因此，设计和构造具有优良结构稳定性和电化学活性的镍基正极材料至关重要。 柔性准固态碱性锌电池的制备过程。研究团队 供图 　　研究人员通过简易浸泡导电聚合物封装二硫化三镍空心纳米棒结构实现高性能正极材料。浸泡导电聚合物涂层不仅可以为二硫化三镍纳米棒提供附着力，防止二硫化三镍在循环过程中从基底上脱落，还可以通过完整的导电途径促进电子转移。 　　此外，还设计了具有双网多孔结构的凝胶电解质，采用海藻酸钠对Zn2+的结合可以有效降低Zn2+溶解鞘中结合水分子的活性，抑制副反应和枝晶的产生，实现锌离子的均匀沉积，提高电池的循环稳定性。 　　该柔性准固态电池具有良好的可逆性，在8 mA cm-2时表现出1.06 mAh cm-2(276.04 mAh g-1)的高比容量。该电池还表现出优异的倍率性能为93.72%，在30 mA cm-2具有10000次以上的超长循环稳定性，容量保持率达88.96%。 　　据了解，该柔性准固态电池可应用于柔性电子设备，进一步拓宽了碱性锌电池的应用领域。 　　上述研究得到国家自然科学基金、广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项资金等项目资助。