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另辟蹊徑——超晶格型正極材料實現高穩定性可充電鋁電池

時間:2022-11-20 13:13來源:能源學人作者:Energist

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【研究背景】

可充電鋁電池（RABs）作為新一代儲能體系，因其具有高安全性、高能量密度及原料來源廣泛低成本等優勢受到研究者們的廣泛關注。然而由于鋁離子（Al³⁺，364 C mm^-³）的高本征電荷密度（六倍于鋰離子），使得其在傳統電極材料上的反應需要克服強庫侖力的作用，這往往會造成較大的晶格應變，產生電極材料粉化和較差的循環穩定性，這也是RABs正極材料的核心挑戰。

【工作介紹】

針對這一挑戰，近日北京工業大學胡宇翔教授團隊、李洪義教授等人提出了一種超晶格型新型正極材料體系，以超晶格型硒化鎢正極材料（S-WSe₂）為例研究，基于超晶格材料帶來的穩定的晶體結構和擴展的層間間距，有效釋放高電荷密度Al³⁺造成的電極材料不可逆損壞的應力應變。實現了長循環穩定性（在2 A g^-1下循環超過1500圈容量仍可以達到 110 mAh g^-1）。并且通過非原位XPS和TEM以及原位XRD和Raman表征探究了其充放電過程中鋁離子的嵌入脫出機制。該工作成果以“Superlattice-Stabilized WSe₂ Cathode for Rechargeable Aluminum Batteries”為題發表在《Small Methods》上，崔方艷為本文第一作者。

示意圖1. 傳統WSe₂和超晶格型S-WSe₂電極經過長期循環后的結構演化。

【核心內容】

層狀過渡金屬二鹵代化合物（TMDCs）具有適當的鋁-硒/硫鍵、可調節的層間間距和理論上豐富的離子容納能力，近年來受到了廣泛關注。其中，硒化鎢（WSe₂）因其理論上的高容量、高導電性、寬的層間空間和合適的金屬-硒鍵合作用而在金屬離子電池中具有良好的應用前景，但未在RABs中報道過。然而，強靜電力與固有的高電荷密度Al³⁺的相互作用仍然會導致不可逆的破壞和活性材料的粉碎/溶解（示意圖1a）。因此，開發一種穩定WSe₂結構的新策略，對于新一代儲能體系RABs的研究是極其必要的。超晶格型化合物是由兩個（或兩個以上）交替周期性成分組成的材料，特別適合容納高電荷密度的活性離子。因此，本文采用簡單的化學合成方法在TMDCs（以WSe₂為例）中引入有機分子來構建超晶格型正極達到Al³⁺的可逆嵌入/脫出，實現電極的長期循環穩定性。

圖1. 超晶格型S-WSe₂的表征。a）S-WSe₂和原始WSe₂的XRD譜圖。b）W4f，c）Se 3d，d）Na 2p在S-WSe₂中的XPS譜圖。e）SEM圖，f）TEM圖。g）S-WSe₂的HR-TEM圖，h）層間距離剖面圖. i) S-WSe₂的HAADF-STEM圖和mapping。

圖2. S-WSe₂和WSe₂的電化學性能測試。a）掃描速率為0.50 mV s^-1時S-WSe₂在0.25 V-1.95 V的CV曲線，b）電流密度為100 mA g^-1時的放電-充電曲線，c）恒電流間歇滴定技術（GITT）曲線，d）與其他典型的RABs正極材料的倍率性能比較，e）電化學阻抗譜（EIS）曲線及其擬合結果，f）S-WSe₂在500 mA g^-1時的長期循環穩定性，g）S-WSe₂在2 A g^-1的高電流密度下的循環穩定性測試。

圖3. S-WSe₂正極在RABs中的反應機制研究。

本研究提出了一個超晶格型S-WSe₂作為典型正極并研究其鋁電池正極性能，發現其長期穩定性大大提高。通過DFT模擬驗證，在S-WSe₂中引入陰離子有機層（SDBS）不僅能抑制晶體應變，提高晶體穩定性，減少活性物質溶解，還能擴大層間空間，降低擴散能壘，提高擴散動力學行為。相應的，S-WSe₂在TMDCs中表現出最佳的循環穩定性，顯著增強的倍率性能。同時，通過各種原位/非原位表征詳細揭示了超晶格型S-WSe₂電極的反應機制。綜上，這種超晶格結構和有機插層策略為克服RABs固有的弱點，并開發高穩定性電極開辟了新的方向。

(責任編輯：子蕊)

文章標簽：鋁電池

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