深圳大学米宏伟课题组AEM:通过晶面优化和界面调控助力高性能固态锌金属电池

锂电联盟会长 2023-07-20 15:08
点击左上角“锂电联盟会长”,即可关注!
▲第一作者:仇斌            
通讯作者:米宏伟          
通讯单位:深圳大学        
论文DOI:
https://doi.org/10.1002/aenm.202301193           

01

全文速览


近日,深圳大学米宏伟课题组在《Advanced Energy Materials》上发表了题为“Crystal-Facet Manipulation and Interface Regulation via TMP-Modulated Solid Polymer Electrolytes toward High-Performance Zn Metal Batteries”的研究文章。该工作通过添加一种绿色阻燃添加剂——磷酸三甲酯(TMP),调控聚合物固态电解质中Zn2+溶剂鞘结构,从而诱导Zn2+沿Zn(002)晶面定向均匀沉积。

02

背景介绍


固态锌离子电池(ZIBs)是间歇性能源高效存储和传输富有潜力的装置。同时,聚合固态物电解质(SPEs)由于其良好的界面相容性和机械性能,正成为固态电池大规模应用的关键组分。然而,由于纯聚合物固态电解质室温条件下离子电导率低和电化学稳定性差等问题,尚无法满足高能量密度储能的需求。电解质设计作为一种有效的改进策略,通过添加功能性无机或有机添加剂来提高电解质的离子电导率。然而,聚合物固态电解质电化学性能或本征稳定特性通常会被牺牲。同时,电解质-电极界面的微观反应动力学机制仍需进一步探究。

03

本文亮点


本文通过添加一种绿色阻燃添加剂——磷酸三甲酯(TMP),调控聚合物固态电解质中Zn2+溶剂鞘结构,从而诱导Zn2+沿Zn(002)晶面定向均匀沉积。这一有高效简单的策略有助于调整聚合物固态电解质的溶剂鞘结构和优化电解质-电极界面本征动力学行为,对聚合物基固态电解质的商业化应用具有参考作用。


04

图文解析


▲图 1. 聚合物固态电解质的制备流程和物理化学性质。A) SSE-TMP的合成示意图。b) SSE-TMP 的光学图片。c) SSE-TMP 的 SEM 图像和 EDS 图像。d) SSE-TMP 的 AFM 表面粗糙度。SSE-TMP、SSE-PC、SSE-EC 和 SSE-0 的  e) Raman光谱、 f) FTIR 光谱和2H NMR 光谱。

通过扫描电子显微镜 (SEM) 和原子力显微镜(AFM)测试说明基于TMP改性的聚合物固态电解质更加致密均匀。此外,拉曼(Raman)光谱、傅里叶变换红外(FTIR)光谱和核磁共振 (2H NMR) 图谱的测试结果证明了不同液态增塑剂可以参与Zn2+溶剂化鞘并改变其配位环境。

▲图2. 基于不同增塑剂改性电解质的电化学性能比较。Zn|Zn 对称电池的 a、b)极化性能和 c)倍率性能。d) 基于已报道的聚合物固态电解质的对称电池循环性能比较。e) 纯锌箔和 f-h) 基于不同电解质在 0.5 mA/cm2 下循环 100 小时后锌箔的 SEM 图像。i) 基于不同电解质的库伦效率比较。j-l)循环后锌箔的3D 激光共聚焦显微镜图像比较。

基于TMP改性的聚合物固态电解质组装的Zn|Zn对称电池在0.1 mA/cm2和0.5 mA·/cm2电流密度下分别循环超过6000和1500小时。SEM图像和3D共聚焦显微镜图像结果充分说明TMP改性的聚合物固态电解质与电极界面良好的兼容性。此外,基于TMP改性的聚合物固态电解质组装的Zn|Cu非对称电池在2000次循环后具有99.14%的平均库伦效率,达到了目前先进水平。

▲图3. a) Zn|Cu非对称电池的沉积/剥离示意图。b) 沉积/剥离曲线。基于 SSE-TMP在不同沉积/剥离阶段 c-f) 锌箔和 g-j) 铜箔的 SEM 图像。(k) Zn2+沿Zn(002)晶面定向沉积示意图。

通过测试不同沉积/剥离阶段Zn负极的形貌,探究TMP对Zn2+沉积晶面的调控作用。Zn箔表面展现均匀的沉积/剥离形貌。同时,规则的六边形片状形貌说明TMP 的加入,使得 Zn2+沉积过程中沿着Zn(002)晶面紧密堆积,因此不饱和键数最少,表面能最低,原子间结合能相对较大,从而抑制 Zn 枝晶的形成。

▲图4. a) 基于 SSE-TMP 循环不同阶段铜箔的非原位XRD 比较。b) 三种溶剂分子与Zn(002)晶面的吸附能比较。c) 基于不同阶段铜箔表面的Zn(002)晶面和Zn(100)晶面的峰值比。d) TMP和Zn的化学吸附模型图。e) TMP和Zn的差分电荷图。f) 沉积/剥离过程中 Zn|SSE-TMP|Al 非对称电池的原位 XRD 等值线图。g) SSE-TMP的MD模拟分子快照。h) SSE-TMP 的 RDF 分析。

通过非原位XRD、原位XRD、DFT理论计算、MD分子动力学模拟论证了在聚合物固态电解质体系中,可以通过添加TMP调整 Zn2+溶剂鞘结构,实现 Zn2+沿特定晶面的定向沉积,最终提高二次离子电池的循环寿命。

▲图5. a) 基于 Zn|SSE-TMP|Zn 对称电池在 0.1 mA/cm2 下循环 10 次后的锌箔 XPS 刻蚀分析。b)基于不同电解质的Zn|Zn对称电池在不同循环过程中的原位EIS结果。C)三种不同电解质的离子浓度分布(上图)和局部电流密度分布(下图)的COMSOL 模拟。d)基于SSE-TMP的全电池反应机理图。  

为了探讨界面离子传输动力学对Zn2+沉积均匀性的影响机制,图5采用原位电化学阻抗谱(in-situ EIS)技术和COMSOL有限元模拟说明在聚合物固态电解质中添加TMP可以优化电场分布,提升电解质-电极界面相容性,并最终阻止了Zn枝晶的生长。此外,X 射线光电子能谱 (XPS) 蚀刻分析结果证明界面生成的Zn3(PO4)2快离子导体加快了Zn2+在电解质-电极界面的传输。

▲图6. 基于SSE-TMP的VO2(B)|Zn全电池在a) 25 ℃、 c) 0 °C 和 e) 60 °C下的循环性能。b) 基于SSE-TMP的VO2(B)|Zn全电池在25℃下的倍率性能。d) 基于SSE-TMP的VO2(B)|Zn全电池25℃下的自放电性能测试。f) 基于SSE-TMP的VO2(B)|Zn软包电池图像。g) 五层叠片示意图。h) 正常和极端条件下的软包电池图像。

图6评估了 TMP 添加剂在固态锌离子电池中的应用前景。组装的VO2(B)|Zn全电池在 1 A/g 电流密度下具备出色的宽温域性能。组装的软包电池在低温亦或是剪断情况下,均可以使LED 灯泡正常发光,充分体现其安全性和稳定性。

05

总结与展望


通过在聚合物固态电解质中添加TMP,制备具有独特Zn2+溶剂鞘结构的聚合物固态电解质。该策略不仅有效地提高了聚合物固态电解质的离子电导率,而且显着拓宽了其电化学稳定性窗口。此外,基于TMP改性后的对称电池在0.1 mA/cm2下表现出超6000 h的循环寿命。此外,通过理论计算、分子动力学模拟和有限元模拟,从电解质本征结构论证TMP的添加诱导Zn2+沿着Zn(002)晶面定向均匀沉积,从而促进其在全电池、对称电池性能上的大幅提高。因此,这一有高效简单的策略有助于调整聚合物固态电解质的溶剂鞘结构和优化电解质-电极界面本征动力学行为,对聚合物基固态电解质的商业化应用具有参考作用。

06

课题组介绍


米宏伟,女,博士,特聘研究员,深圳大学博士生导师,深圳市海外高层次人才,深圳市后备级人才。担任《Rare Metals》和《无机盐工业》青年编委,IEEE PES 储能技术委员会委员。2006年毕业于华南理工大学获硕士学位,2014年毕业于中国地质大学(武汉)获博士学位,2019年在美国佐治亚理工学院林志群教授课题组访问交流1年。目前主要从事新能源材料的前沿研究,二维材料的制备及其光催化方面的应用和二次电池材料的研发。先后主持了国家自然科学基金面上项目及青年基金、广东省自然科学基金项目和深圳市基础研究项目等,在国际重要学术期刊发表SCI论文100余篇,总引用3100余次,其中,以第一或通讯作者在Adv. Energy Mater.、ACS Catal.、Adv. Sci.、Appl. Catal. B-Environ.和Nano Energy等国际著名学术期刊发表SCI论文41篇;申请发明专利12项,其中8项已获授权,荣获广东省科学技术进步奖二等奖1项,广东省自然科学奖二等奖1项,参编著作1部。课题组长期招聘博士后,欢迎咨询。

原文链接:
https://doi.org/10.1002/aenm.202301193
锂电联盟会长向各大团队诚心约稿,课题组最新成果、方向总结、推广等皆可投稿,请联系:邮箱libatteryalliance@163.com或微信Ydnxke。

相关阅读:
锂离子电池制备材料/压力测试
锂电池自放电测量方法:静态与动态测量法!
软包电池关键工艺问题!
一文搞懂锂离子电池K值!
工艺,研发,机理和专利!软包电池方向重磅汇总资料分享!
揭秘宁德时代CATL超级工厂!
搞懂锂电池阻抗谱(EIS)不容易,这篇综述值得一看!
锂离子电池生产中各种问题汇编
锂电池循环寿命研究汇总(附60份精品资料免费下载)

锂电联盟会长 研发材料,应用科技
评论
  • 本文介绍瑞芯微开发板/主板Android配置APK默认开启性能模式方法,开启性能模式后,APK的CPU使用优先级会有所提高。触觉智能RK3562开发板演示,搭载4核A53处理器,主频高达2.0GHz;内置独立1Tops算力NPU,可应用于物联网网关、平板电脑、智能家居、教育电子、工业显示与控制等行业。源码修改修改源码根目录下文件device/rockchip/rk3562/package_performance.xml并添加以下内容,注意"+"号为添加内容,"com.tencent.mm"为AP
    Industio_触觉智能 2025-01-17 14:09 173浏览
  • 数字隔离芯片是一种实现电气隔离功能的集成电路,在工业自动化、汽车电子、光伏储能与电力通信等领域的电气系统中发挥着至关重要的作用。其不仅可令高、低压系统之间相互独立,提高低压系统的抗干扰能力,同时还可确保高、低压系统之间的安全交互,使系统稳定工作,并避免操作者遭受来自高压系统的电击伤害。典型数字隔离芯片的简化原理图值得一提的是,数字隔离芯片历经多年发展,其应用范围已十分广泛,凡涉及到在高、低压系统之间进行信号传输的场景中基本都需要应用到此种芯片。那么,电气工程师在进行电路设计时到底该如何评估选择一
    华普微HOPERF 2025-01-20 16:50 81浏览
  • 临近春节,各方社交及应酬也变得多起来了,甚至一月份就排满了各式约见。有的是关系好的专业朋友的周末“恳谈会”,基本是关于2025年经济预判的话题,以及如何稳定工作等话题;但更多的预约是来自几个客户老板及副总裁们的见面,他们为今年的经济预判与企业发展焦虑而来。在聊天过程中,我发现今年的聊天有个很有意思的“点”,挺多人尤其关心我到底是怎么成长成现在的多领域风格的,还能掌握一些经济趋势的分析能力,到底学过哪些专业、在企业管过哪些具体事情?单单就这个一个月内,我就重复了数次“为什么”,再辅以我上次写的:《
    牛言喵语 2025-01-22 17:10 83浏览
  •  光伏及击穿,都可视之为 复合的逆过程,但是,复合、光伏与击穿,不单是进程的方向相反,偏置状态也不一样,复合的工况,是正偏,光伏是零偏,击穿与漂移则是反偏,光伏的能源是外来的,而击穿消耗的是结区自身和电源的能量,漂移的载流子是 客席载流子,须借外延层才能引入,客席载流子 不受反偏PN结的空乏区阻碍,能漂不能漂,只取决于反偏PN结是否处于外延层的「射程」范围,而穿通的成因,则是因耗尽层的过度扩张,致使跟 端子、外延层或其他空乏区 碰触,当耗尽层融通,耐压 (反向阻断能力) 即告彻底丧失,
    MrCU204 2025-01-17 11:30 188浏览
  •     IPC-2581是基于ODB++标准、结合PCB行业特点而指定的PCB加工文件规范。    IPC-2581旨在替代CAM350格式,成为PCB加工行业的新的工业规范。    有一些免费软件,可以查看(不可修改)IPC-2581数据文件。这些软件典型用途是工艺校核。    1. Vu2581        出品:Downstream     
    电子知识打边炉 2025-01-22 11:12 88浏览
  • Ubuntu20.04默认情况下为root账号自动登录,本文介绍如何取消root账号自动登录,改为通过输入账号密码登录,使用触觉智能EVB3568鸿蒙开发板演示,搭载瑞芯微RK3568,四核A55处理器,主频2.0Ghz,1T算力NPU;支持OpenHarmony5.0及Linux、Android等操作系统,接口丰富,开发评估快人一步!添加新账号1、使用adduser命令来添加新用户,用户名以industio为例,系统会提示设置密码以及其他信息,您可以根据需要填写或跳过,命令如下:root@id
    Industio_触觉智能 2025-01-17 14:14 126浏览
  • 现在为止,我们已经完成了Purple Pi OH主板的串口调试和部分配件的连接,接下来,让我们趁热打铁,完成剩余配件的连接!注:配件连接前请断开主板所有供电,避免敏感电路损坏!1.1 耳机接口主板有一路OTMP 标准四节耳机座J6,具备进行音频输出及录音功能,接入耳机后声音将优先从耳机输出,如下图所示:1.21.2 相机接口MIPI CSI 接口如上图所示,支持OV5648 和OV8858 摄像头模组。接入摄像头模组后,使用系统相机软件打开相机拍照和录像,如下图所示:1.3 以太网接口主板有一路
    Industio_触觉智能 2025-01-20 11:04 166浏览
  • 80,000人到访的国际大展上,艾迈斯欧司朗有哪些亮点?感未来,光无限。近日,在慕尼黑electronica 2024现场,ams OSRAM通过多款创新DEMO展示,以及数场前瞻洞察分享,全面展示自身融合传感器、发射器及集成电路技术,精准捕捉并呈现环境信息的卓越能力。同时,ams OSRAM通过展会期间与客户、用户等行业人士,以及媒体朋友的深度交流,向业界传达其以光电技术为笔、以创新为墨,书写智能未来的深度思考。electronica 2024electronica 2024构建了一个高度国际
    艾迈斯欧司朗 2025-01-16 20:45 515浏览
  • 高速先生成员--黄刚这不马上就要过年了嘛,高速先生就不打算给大家上难度了,整一篇简单但很实用的文章给大伙瞧瞧好了。相信这个标题一出来,尤其对于PCB设计工程师来说,心就立马凉了半截。他们辛辛苦苦进行PCB的过孔设计,高速先生居然说设计多大的过孔他们不关心!另外估计这时候就跳出很多“挑刺”的粉丝了哈,因为翻看很多以往的文章,高速先生都表达了过孔孔径对高速性能的影响是很大的哦!咋滴,今天居然说孔径不关心了?别,别急哈,听高速先生在这篇文章中娓娓道来。首先还是要对各位设计工程师的设计表示肯定,毕竟像我
    一博科技 2025-01-21 16:17 112浏览
  • 日前,商务部等部门办公厅印发《手机、平板、智能手表(手环)购新补贴实施方案》明确,个人消费者购买手机、平板、智能手表(手环)3类数码产品(单件销售价格不超过6000元),可享受购新补贴。每人每类可补贴1件,每件补贴比例为减去生产、流通环节及移动运营商所有优惠后最终销售价格的15%,每件最高不超过500元。目前,京东已经做好了承接手机、平板等数码产品国补优惠的落地准备工作,未来随着各省市关于手机、平板等品类的国补开启,京东将第一时间率先上线,满足消费者的换新升级需求。为保障国补的真实有效发放,基于
    华尔街科技眼 2025-01-17 10:44 221浏览
  •  万万没想到!科幻电影中的人形机器人,正在一步步走进我们人类的日常生活中来了。1月17日,乐聚将第100台全尺寸人形机器人交付北汽越野车,再次吹响了人形机器人疯狂进厂打工的号角。无独有尔,银河通用机器人作为一家成立不到两年时间的创业公司,在短短一年多时间内推出革命性的第一代产品Galbot G1,这是一款轮式、双臂、身体可折叠的人形机器人,得到了美团战投、经纬创投、IDG资本等众多投资方的认可。作为一家成立仅仅只有两年多时间的企业,智元机器人也把机器人从梦想带进了现实。2024年8月1
    刘旷 2025-01-21 11:15 560浏览
  • 电竞鼠标应用环境与客户需求电竞行业近年来发展迅速,「鼠标延迟」已成为决定游戏体验与比赛结果的关键因素。从技术角度来看,传统鼠标的延迟大约为20毫秒,入门级电竞鼠标通常为5毫秒,而高阶电竞鼠标的延迟可降低至仅2毫秒。这些差异看似微小,但在竞技激烈的游戏中,尤其在对反应和速度要求极高的场景中,每一毫秒的优化都可能带来致胜的优势。电竞比赛的普及促使玩家更加渴望降低鼠标延迟以提升竞技表现。他们希望通过精确的测试,了解不同操作系统与设定对延迟的具体影响,并寻求最佳配置方案来获得竞技优势。这样的需求推动市场
    百佳泰测试实验室 2025-01-16 15:45 340浏览
  • 嘿,咱来聊聊RISC-V MCU技术哈。 这RISC-V MCU技术呢,简单来说就是基于一个叫RISC-V的指令集架构做出的微控制器技术。RISC-V这个啊,2010年的时候,是加州大学伯克利分校的研究团队弄出来的,目的就是想搞个新的、开放的指令集架构,能跟上现代计算的需要。到了2015年,专门成立了个RISC-V基金会,让这个架构更标准,也更好地推广开了。这几年啊,这个RISC-V的生态系统发展得可快了,好多公司和机构都加入了RISC-V International,还推出了不少RISC-V
    丙丁先生 2025-01-21 12:10 181浏览
  • 随着消费者对汽车驾乘体验的要求不断攀升,汽车照明系统作为确保道路安全、提升驾驶体验以及实现车辆与环境交互的重要组成,日益受到业界的高度重视。近日,2024 DVN(上海)国际汽车照明研讨会圆满落幕。作为照明与传感创新的全球领导者,艾迈斯欧司朗受邀参与主题演讲,并现场展示了其多项前沿技术。本届研讨会汇聚来自全球各地400余名汽车、照明、光源及Tier 2供应商的专业人士及专家共聚一堂。在研讨会第一环节中,艾迈斯欧司朗系统解决方案工程副总裁 Joachim Reill以深厚的专业素养,主持该环节多位
    艾迈斯欧司朗 2025-01-16 20:51 216浏览
  • 2024年是很平淡的一年,能保住饭碗就是万幸了,公司业绩不好,跳槽又不敢跳,还有一个原因就是老板对我们这些员工还是很好的,碍于人情也不能在公司困难时去雪上加霜。在工作其间遇到的大问题没有,小问题还是有不少,这里就举一两个来说一下。第一个就是,先看下下面的这个封装,你能猜出它的引脚间距是多少吗?这种排线座比较常规的是0.6mm间距(即排线是0.3mm间距)的,而这个规格也是我们用得最多的,所以我们按惯性思维来看的话,就会认为这个座子就是0.6mm间距的,这样往往就不会去细看规格书了,所以这次的运气
    wuliangu 2025-01-21 00:15 204浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦