基质和电极材料

p 　　造纸工业一种很常见的副产品：木质磺酸盐，已被以色列理工学院科学家证明可做为锂硫电池的低成本电极材料，目前研究小组创建了一款手表锂硫电池原型，下一个工作将试着扩大原型。 br/ /p p 　　锂硫电池能量密度至少是锂离子电池的两倍之多，因此尽管可充电锂离子电池是市场当红炸子鸡，科学家还是对锂硫电池的开发产生浓厚兴趣。 /p p 　　可充电电池主要由两个电极、电极间的液体电解质以及隔离膜组成，锂硫电池的阴极由硫碳基质构成，阳极使用锂金属氧化物。在元素形式中，硫是不导电的，但当硫在高温下与碳结合时会变得高度导电，因此被看好应用于新型电池技术中。 /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201804/insimg/a6c903ca-7605-4ae1-b894-c58d427c5885.jpg" title=" 3.jpg" / /p p 　　然而，锂硫电池的一大挑战是硫很容易溶解到电池电解质中，导致两侧电极在循环仅仅几个周期后就恶化，尽管科学家试图使用不同形式的碳如：纳米碳管、复杂的碳泡沫等将硫稳在适当位置，但成效有限。 /p p 　　以色列理工学院研究团队现在找到一种简单方法，可以从单一原材料中创造出最佳的硫基阴极，他们将造纸工业的主要副产品木质磺酸盐(lignosulfonate)进行干燥处理，然后放到石英炉管(quartz tube furnace)中加热至 700℃，于高热之下驱除大部分硫气，但留下一些多硫化物(硫原子链)，可深度嵌入活性碳基质中。 /p p 　　研究人员重复加热过程好让适量硫嵌入碳基质中，接着将材料研磨并与惰性聚合物黏合剂混合，于铝箔上形成阴极涂层，证实可以用这种廉价、丰富的造纸衍生物质来建构锂硫电池。 /p p 　　目前团队设计了一款锂硫电池原型，规格为手表电池，可循环充放电约 200 次。下一步工作是扩大原型，以显著提高放电率和电池循环寿命，使电池有机会为大型数据中心供电、微电网和传统电网提供更便宜的能源存储选项。 /p p br/ /p

近日，中国科学院城市环境研究所郑煜铭团队（污染防治材料与技术研究组）在废弃生物质多孔碳应用于电容脱盐方面取得新进展。该研究揭示了提高碳电极材料石墨氮含量对增强电容脱盐性能的内在机制。 碳材料因储量丰富、环境相容性高，成为电容去离子（Capacitive deionization，CDI）电极材料研究的热点。然而，制备良好亲水性、高比表面积、适合孔径分布、高导电性、稳定电化学性能的碳电极材料颇具挑战性。因此，亟需发展一种绿色、低成本的方法来制备具有特定形态或孔隙结构的杂原子掺杂碳电极材料。近年来，杂原子掺杂工程为制备高性能CDI电极材料提供了新思路。基于此，中国科学院城市环境研究所郑煜铭团队以溶解有废弃蚕茧的汰头废水为氮和碳源，运用ZnCl2活化-碳化工艺制备了氮掺杂分级多孔碳（NPC），并将其作为电极材料用于CDI脱盐，实现废弃物资源化（如图）。研究发现：提高石墨氮含量可有效降低电极材料本征电阻，减小脱盐能耗；同时可增加电极材料内部缺陷形成赝电容吸附位点，进一步增大脱盐容量。优化后的NPC-1.5电极材料的电吸附容量可达22.19 mg g-1，平均脱盐速率为1.1 mg g-1 min-1，优于已报道的活性炭和其他多孔碳电极材料；经过50次循环利用后，NPC-1.5仍能保持初始电吸附容量的97%，表明该材料在海水淡化方面具有应用潜力。 相关研究成果以Silkworm cocoon waste-derived nitrogen-doped hierarchical porous carbon as robust electrode materials for efficient capacitive desalination为题，发表在《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）上。研究工作得到国家自然科学基金面上项目和中国科学院青年创新促进会等的支持。  NPC的制备及其CDI脱盐示意图

扫描电镜优秀论文赏析｜基于强 p-p 堆积效应的具有大内置电场的层堆积聚酰亚胺用于快速锂离子存储海南大学材料科学与工程学院 陈文参赛论文：Layer stacked polyimide with great built-in electronic field for fast lithium-ion storage based on strong p-p stacking effect发表期刊：Energy Storage Materials根据参与储能反应的活性氧化还原官能团的不 同，有机电极材料 可分为导电聚合物、有机硫化合物、有机自由基和羰基化合物。其中羰基化合物因电化学活性高、原料 丰富等特点受到广泛研究。然而羰基化合物电极在碱金属离子电池中应用时通常易 溶于液体电解质且电导率差。因此，人们采取了各种策略来改善这些问题，包括聚合、盐化、与导电碳材料 形成复合材料 、优化电解质选择等。聚酰亚胺因具有优异的耐溶剂性、热力 学稳定性和可灵活编程的聚合物结构，被视为潜在的锂离子电池（LIBs）有机正极材料 。然而，PI 链的导电性差、易 缠结和团聚，导致离子扩散缓慢、电子转移不 良和反应不 充分，难以在高电流密度下有效达到其理 论容量 。本文成功获得了基于 π‑ π 堆积效应的层堆积聚酰亚胺正极（NT‑ U）。NT‑ U 具有较大的分子偶极矩，这是由 PI 中的强电负性基团诱导，并通过 π‑ π 堆积结构进一步增强，这有助于形成更大的内置电场（BIEF）。这种高度结晶的 PI 中的强 BIEF 在加速电荷传输动力 学和提高 LIBs 的电化学性能方面起着至关重要的作用，这些发现为基于偶极和 BIEF 机制构建 PIs 正极以实现快速高效的储能提供了新的见解。 试验过程 典型的合成工艺是将 2mmol 萘‑ 1,4,5,8‑ 四羧酸二酐（NTCDA）和 2mmol 尿 素分别溶解于 20 mL N‑ 甲基吡咯烷酮（NMP）中。完全溶解后，将两种单体溶液转移至圆底烧瓶中，在 N2 气氛下于 180 ℃ 搅拌回流 8h。冷却至室温后，通过真空过滤分离初步固体，并用 NMP 洗涤数次以除去可溶性低聚物。当滤液完全无色时，收集不 溶性固体产品并在 110 ℃ 真空干燥箱中干燥过夜。最后，在 N2 气氛下于 300 ℃ 退火 8h 获得 NT‑ U 粉末。使用相同程序合成 NT‑ E，但将尿 素替换为乙二胺（EDA）。本文分别使用乙二胺和尿 素作为二胺连接体，通过简单的缩合步骤制备了 NT‑ E 和 NT‑ U 两种 PI 材料 。通过 FTIR 光谱证实了 NT‑ U 和 NT‑ E 样品的成功制备。与单体分子相比，这两种 PI 都具有良好的热稳定性和在液体电解质中的优异的耐溶剂性。使用飞纳台式扫描电镜能谱一体机 Phenom ProX 拍摄了 NT‑ E 和 NT‑ U 样品的形貌，并在图 1a 和 c 中进行 了展示。NT‑ E 聚合物（图1a）显示出由随机颗粒组成的不 规则形貌。相反，NT‑ U （图1c）呈现出明显的层状晶体结构，表明这两种 PI 都是通过纳米片结构自组装的。图1 扫描电镜（SEM）图像与超声后 AFM 图像随后，结合 DFT 计算和电化学测试，详细揭示了 NT-U 和 NT-E 的电子和锂离子传输行为。NT-E 和 NT-U 阴极的第一次循环 CV 曲线在 0.1mV s-1 下记录。NT-U 显示出以 2.32V 为中心的宽阴极峰，比 2.21V 的 NT-E 更强、更尖锐。有机材料与其电子结构高度相关。NT-E 和 NT-U 电极在 50Ma g-1 下的初始三条放电/充电曲线如图所示。NT-U 在 ~2.4V 下提供了平坦的放电平台，与 CV 测试非常一致。但 NT-E 呈现出倾斜的放电曲线。NT-U 的平坦放电平台可归因于 C=O 键从尿素单元的吸电子特性，这降低了氧化还原活性羰基的电子密度，促进了稳定输出电势的形成。第一次循环中的放电曲线表明，NT-U 电极可以提供 152mAh g-1 的高初始放电比容量，而 NT-E 只能释放 31mAh g-1 的比容量。这种显著差异可能归因于两种 PI 的不同晶体和电子结构。因此，通过密度泛函理论（DFT）研究了NTCDA、NT-E 和 NT-U 的电子结构，结果如图所示。根据分子轨道理论，最低未占分子轨道（LUMO）能量与电子亲和力和有机电极材料的电势有关。NTCDA 显示出最低的 LUMO 能级（-4.00eV），但该单体在有机液体电解质中的显著溶解度意味着其用作阴极材料是不现实的。NT-U 显示出明显低于 NT-E（-3.48eV）的 LUMO 能级（-3.74eV），表明 LIBs 中可能有更高的放电电势。这与 CV 测试非常一致。此外，与 NT-E 相比，NT-U 在 HOMO 和 LUMO 能级之间表现出更小的能隙（Eg=3.49eV），这表明其具有更好的电子导电性和在 LIBs 中释放更高的阴极材料有效容量的潜力。与 NT-E 相比，NT-U 聚酰亚胺具有更强、更宽的吸收能力，表现出其最大的 π-电子共轭体系。测量聚酰亚胺的光学间隙（Eg）。NT-U（2.70eV）的Eg比NT-E（2.81eV）窄，表明其具有更好的电子导电性。图3。（a） NT-E 和 NT-U 在 0.1mV s-1 下的第一个循环的 CV 曲线。（b）NT-E和（c）NT-U 在 50mA g-1 下的充电和放电曲线。（d） NTCDA、NT-E 和 NT-U 的分子结构、HOMO/LUMO 能级和轨道分布结合 DFT 计算和实验结果，本文提出了一种用于 LIBs 的具有 BIEF 的 NT‑ U 正极机理 ，如图 6 中的示意图所示。由于尿 素连接基团具有很强的亲电性，从萘核心到酰亚胺取代基都可以观察到分子内极化。这种分子内极化通过层堆叠的 π‑ π 效应增强，导致 NT‑ U 中形成更强的 BIEF，从而显著增强了这种电极材料 的电荷传输性能。相比之下，非晶态的 NT‑ E 具有小的偶极矩和微弱的 BIEF，导致导电性差。因此，与 NT‑ E 相比，NT‑ U 表现出更 好的电化学动力 学和优异的性能。本文还进行 了不 同电压下 NT‑ U 聚酰亚胺在第一个循环过程中微观外观的演变。如图所示，NT‑ U 颗粒（原始）表面光滑，表面覆盖着大量 导电炭⿊ 。当放电至 1.5V 时，颗粒表面逐渐变得粗糙，这可能是由于锂的嵌入过程，形成了 NT‑ UxLi 化合物；当充电至 3.5V 时，越来越多地出现表面光滑的 PI 晶体，几乎没有出现表面粗糙的 PI 颗粒。不 同电压下 NT‑ U 聚酰亚胺在第一个循环过程中 SEM 微观外观的演变结果分析根据原位 FTIR 和原位 XPS 分析，锂原子通过烯醇化反应引入到 NT‑ U 分子中：C=O → C–O–Li。然而，DFT 计算表明，4 个锂原子开始由两个相邻亚胺基团的羰基共享。随着锂化过程的继续，相邻的尿 素单元和亚胺部分的羰基又共享了 2 个锂原子。图中的表格显示了每个锂化过程的结合能。简而言之，NT‑ U 电极的锂化机理 可以描述为一个 3 电子过程，其中 2 个锂原子首先与亚胺部分的 C=O 基团反应，第三个锂原子与相邻尿 素单元和亚胺部分的羰基结合。这些结果表明，循环过程中的锂化/脱锂过程导致 NT‑ U 晶体结构的周期性变化。因此，NT‑ U 保持高度结晶的结构，在放电/充电循环过程中经历周期性的可逆变化，表明作为正极表现出良好的长期性能。结论综上所述，筛选出低成本尿 素作为连接剂，通过一步缩聚反应构建聚酰亚胺有机电极材料 （NT‑ U）。与非晶态聚酰亚胺（NT‑ E）相比，NT‑ U 电极在 500mA g‑ 电流密度下可实现 165mA h g‑ g‑ 循环的高可逆容量 。通过原位 XRD、非原位 FTIR、非原位 XPS 和 DFT 计算等多种技术，对 NT‑ U 的储能机理进行了评估。尿素的规则平面结构和电负性羰基赋予 NT-U 高度堆叠的结构和更大的分子偶极矩，这导致在PI材料中形成强内建电场（BIEF）。NT‑ U 的 π‑ π 堆积效应使离域电子云重叠，增强了电子的转移。此外，BIEF 有效地加速了锂离子和电子在 PI 内的传输。 NT‑ U 的层状堆叠结构与 BIEF 相结合，可实现快速的反应动力 学和令人满意的电池性能。这项工作为利用 BIEF 灵活设计 PI 作为锂离子存储有机正极材料 提供了新的见解。