支春义教授,JACS新观点:调整烯醇转化平衡实现高性能水系锌电池的开发

锂电联盟会长 2024-05-23 11:35

点击左上角“锂电联盟会长”,即可关注!


文 章 信 息

调控质子以促进烯醇转化平衡移动实现高性能水系锌电池的开发
第一作者:崔慧琳
通讯作者:梁国进*,支春义*
单位:深圳理工大学,香港城市大学

研 究 背 景

有机羰基化合物的烯醇化反映是自然界广泛存在的重要生理过程。由于其高理论容量和快速反应动力学成为水系锌基能源存储的广泛研究的阴极材料。但是目前对于有机羰基化合物的电化学储能机理仍存在很大的争议。此外,对于弱酸性水系锌电而言,电解液中存在的质子不可忽略,质子存储对电化学性能的影响仍然模糊不清。全面理解质子存储行为对于改善有机电极的电化学性能至关重要。本篇通过探究羰基在水系锌电中的电化学储能机理发现,质子存储行为是不可忽略的,并且相对于锌离子的结构过程而言质子存储行为可以提供更高的循环稳定性和倍率性能。因此,本文通过调控电解液的质子浓度实现了高电压、长循环的有机锌电的开发。本文为提升羰基化合物在水系电池里性能提供了方向,有助于高性能有机锌电的研究及实际应用。

文 章 简 介

近日,来自香港城市大学的支春义教授和深圳理工大学的梁国进助理教授合作,在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上发表题为“Regulating protons to tailor the enol conversion of quinone for high-performance aqueous zinc batteries”的观点文章。该观点文章探索了醌类有机物的电化学储能机理,发现质子存储在水系锌电中占据着重要的地位,并且通过调控电解液的质子浓度实现了高电压,长循环的有机锌电的可开发。
图1. 增加电解液氢离子浓度浓度调整烯醇转化平衡。

本 文 要 点

要点一:羰基化合物的质子存储行为
使用带四个羰基的芘-4,5,9,10-四酮(PTO)作为羰基化学物的典型代表,通过循环伏安法(CV)和恒流充放电(GCD)测试了PTO在硫酸锌电解液中的电化学性能,发现PTO在长循环过程中存在明显的容量保持区和容量衰减区。通过恒电流间歇滴定技术(GITT)进一步探索了两区域的离子扩散速率发现,容量保持区的离子扩散速率远远高于容量损失区域,展现了快速的离子扩散动力学。这种离子扩散速率的差异可能是由不同的离子配位过程驱动的。为了探究其起源,进行了 X 射线衍射 (XRD) 和原位电化学石英晶体微天平测试。XRD结果显示PTO的放电产物显示出碱性硫酸锌的新相。石英微分天平测试结果显示容量保持区的重量增加约0.128 mg/C,介于氢离子和水合氢离子之间而容量损失区的重量增加约为0.548 mg/C,介于锌离子和水合之间。测试结果揭示了PTO放电过程中与质子配位结合的过程。而质子的配位过程归属于容量保持区,因此羰基化合物在水系锌电的氧化还原过程存在质子存储行为,并且质子存储很可能有助于羰基化合物循环稳定性。
图2. PTO 在水系锌离子电池中的机理探究

要点二:质子存储对电化学性能的影响
通过调节质子浓度(即改变所用 ZnSO4 电解质的 pH 值),研究了质子对电化学性能的确切影响。首先,质子浓度的增加显着提升了 PTO 的氧化还原电位。即使质子浓度比锌离子小十倍,质子也可以获得竞争优势。其次,PTO电极在高质子浓度电解质中表现出更好的循环稳定性。因此,可以通过增加质子浓度来增强调节PTO的电化学性能。根据质子辅助复分解反应机理,我们将PTO的电化学储能行为总结如下。当PTO在酸性电解液中放电时,它优先与质子配位形成醇式结构(PTOH)。PTO和PTOH的烯醇化/脱烯醇化过程可逆极好,提供了优异的循环稳定性。电解液中的大量存在的锌离子会使部分PTOH离子化(PTO-Zn)。PTO-Zn和PTO之间的这种烯醇化/脱烯醇化过程可逆性差,导致PTO电极的容量逐渐衰减。值得注意的是,PTO电离形成PTO-Zn是一个可逆的转化反应,通过调节电解质的质子浓度可以改变反应平衡。因此,调节PTO-Zn平衡移动形成PTOH是提高PTO循环性能的有效途径。
图3. 质子存储对电化学性能的影响

要点三:硫酸铝作为pH缓冲剂对锌负极的影响
直接使用氢离子调整电解液质子浓度会加剧锌负极的析氢、腐蚀等副反应。因此,使用具有酸性的硫酸铝作为pH缓冲剂。通过测试锌锌对称,锌铜非对称,线性扫描伏安法 (LSV),Tafel曲线,XRD测试和理论计算发现, 锌金属上吸附的水分子可以被铝离子取代,形成贫水界面,严重限制了析氢反应活性。铝离子对锌金属的强烈化学吸附作为强屏蔽层有效地防止了锌负极析氢、枝晶和其他副反应。因此,硫酸铝的成本效益、酸性水解和增强锌阳极性能的效果使其成为非常合适的pH缓冲剂。
图3. 硫酸锌添加剂对锌负极性能的影响

要点四:硫酸铝作为pH缓冲剂对PTO正极电化学性能的影响
为了验证硫酸铝添加剂对PTO正极的作用,采用三电极系统测试了PTO添加硫酸铝前后的电化学性能。CV曲线和GCD曲线显示将硫酸铝引入电解质可以提升PTO的氧化还原电位,并提高了倍率性能和循环稳定性,这归因于添加硫酸铝后通过调整烯醇转化反应促进了 PTO 与质子的结合。这个行为也通过SEM-mapping、异位X射线光电子能谱(XPS)、飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)以及理论计算进行验证。为了评估该理论的适用性,选择了三种醌基正极材料(蒽醌(AQ)、菲醌(BQ)和对四氯苯醌)进行电化学探索。通过对三种不同醌基电极材料的分析,证实了该理论在醌基材料中的广泛适用性。调节电解质中的质子浓度可以调整醌基材料的烯醇转化平衡,以提高充放电电位和循环稳定性。
图4. 硫酸锌添加剂对PTO正极电化学性能的影响

要点五:全电池性能
小尺寸的质子由于而会优先与PTO配位,并且在电荷存储过程中增加质子的浓度将提高工作电位、能量密度和循环稳定性。因此Zn||PTO在基于硫酸铝添加剂的电解液中放电平台的中值电压上升了近0.2 V,并且实现了更高的倍率性能。长循环测试表明,Zn||PTO在基于硫酸铝添加剂的电解液中表现出更好的循环稳定性,在2 A g-1的电流密度下, 5000次循环后仍保留93%的容量,且每个循环的容量损失率低至0.0013‰。上述优异的储能性能主要归功于添加硫酸铝作为质子缓冲剂后促进烯醇转化反应储存质子。因此,在研究基于有机电极的水系储能系统时,尤其是羰基化合物,必须考虑通过烯醇转化反应存储质子,因为水系电解质中不可避免地存在质子。
图5. 全电池性性能

文 章 链 接

Regulating protons to tailor the enol conversion of quinone for high-performance aqueous zinc batteries.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c03223

通 讯 作 者 简 介

支春义教授简介:2004年中科院物理所取得博士学位,随后到日本物质材料研究机构工作,历任博士后研究员,研究员以及主任研究员(永久职位)。目前在香港城市大学材料科学与工程系任教授。研究方向为可穿戴柔性电存储器件,包括多水系电解质,锌离子电池,固态电池,催化和可持续性能源开发等。到目前为止,已发表有关SCI论文超过500篇,他引超过55000次(Web of science),H因子为127,专利授权100项。支春义博士是Materials Research Letters 主辑,Nano Research Energy主编,Materials Futures副主编,《npj Flexible Electronics》、《Rare Metals》、《Green Energy & Environmental Science》编委成员。支春义教授曾获香港城市大学杰出研究奖、校长奖、NML奖、北京市科学技术奖(一等奖)。获得香港青年科学院院士、英国皇家化学学会院士、科睿唯安高被引研究员(2019-2022,材料科学)和研究资助局高级研究员。
课题组主页:http://www.comfortablenergy.net/
来源:科学材料站
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 (0)
  •  经过近几年的618大促之后,如今的618已经被默认的低价竞争给包围了。随着低价竞争的持续蔓延,曾经积极参与其中的一些品牌商,态度也从积极转为消极;各种被“忽悠”的消费者,也在想着法逃离电商平台设置的套路。与此同时,不甘心被大主播绑架的电商平台,与胃口不断加大的头部主播,开始展开极限拉扯。以往热闹的618,如今变成了各路参与者的围城,渴望进去的不停向里面张望,渴望出来的则变着法地希望,跳出618这个牢笼。虚假繁荣背后的暗流涌动在直播电商红利之下,抖音、淘宝、京东、唯品会等各路平台,在直
    刘旷 2024-06-21 09:58 98浏览
  • 站上风口,交付量狂飙,装机量翻番……是什么让LiDAR再次“翻红”? 一波三折。如果要用一个词形容近两年的激光雷达市场,恐怕它最为合适。人类纪元,2022年。开启量产元年的车载激光雷达,一度风光无限。当时OEM厂商对激光雷达关键指标提升的需求仿佛“军备竞赛”。加速批量上车,进一步控制成本,将其控制在500美元左右……那一年,产业链上下游众志成城,万众一心。转眼到了2023年,车企在面向ADAS和自动驾驶的感知技术上逐渐分化成两派,纯视觉路线的落地以及价格战带来的降本压力,让很多车企出现
    艾迈斯欧司朗 2024-06-21 17:10 72浏览
  • 反激电源包含原边反激何副边反激,原边反馈动态响应比副边反馈慢,但是相对成本低,无论是原边反馈还是副边反馈由于反激电源电路简单,成本低广泛的用在在电动两轮车Escooter,电动工具,打印机,清洁电器等充电场景,也广泛的应用在电表,家电,新能源等场景作为辅助电源给芯片供电,下面就以无锡明芯微的MX1210E作为例子详细的介绍下一款24v2.5A的一个方案,从该方案来看输入口有NTC防止过流,采用10D561K 的压敏作输入过压保护,有个滤波的0.47uF的X电容并采用分压电阻做X电容放电,串联差模
    王萌 2024-06-21 09:27 237浏览
  • GPIO的功率、电压和电流取决于具体的GPIO类型和配置。 GPIO(General Purpose Input/Output)通用型输入输出端口,是一种多功能的电子接口,广泛应用于微控制器、微处理器以及各种电子设备中,用于读取或输出信号。理解GPIO的功率、电压和电流的相关特性是进行电子电路设计和编程的基础。这些参数决定了GPIO端口能安全处理的电量,以及它与其他电子组件交互时的兼容性。 从电压角度来看,GPIO端口通常设计有一定的耐压限度,这意味着它们可以安全地在特定的电压范围内工作。例
    丙丁先生 2024-06-21 17:43 78浏览
  • ​Raspberry Pi 已在伦敦证券交易所上市,股票代码为 Raspberry Pi Holdings plc。这是 Raspberry Pi 的分水岭,也是发展新阶段的开始:进入公开市场将使树莓派能够更快地制造出更多我们喜爱的产品。Raspberry Pi 基金会在首次公开募股中筹得的资金将支持其在第二个十年中影响全球的雄心壮志;有关首次公开募股对基金会意味着什么的更多信息,请点击这里查看菲利普的博文。博文地址:https://www.raspberrypi.org/blog/what-w
    树莓派开发者 2024-06-20 15:15 85浏览
  • 随着时代的飞速发展,新能源汽车以其绿色环保、能效高等特点在全球范围内迅速普及。然而,伴随着这一进程的不断推进,我们不得不面对一个前所未有的现实——新能源汽车的第一波动力系统已步入了报废的爆发期。积尽六年繁华,不过弹指刹那,2024,标志着新能源汽车生命周期管理的新阶段,对于整个行业乃至社会的影响深远且复杂。新能源汽车的推广始于对传统燃油车引起的环境问题的担忧和对可再生能源利用的追求。经过多年的发展,早期的电动车电池技术已经难以满足当前的需求,电池寿命终结成为用户面临的直接问题。随之而来的,是大量
    lauguo2013 2024-06-20 14:23 78浏览
  • Matter是连接标准联盟(CSA)所推出的统一连接标准,旨在让不同品牌的智能装置可以互通互联。并且支持包含Wi-Fi、Ethernet、Thread和Bluetooth等多种连接协议。 随着Matter被广泛运用于智能家居生态圈,目前Apple Homekit、Amazon Alexa、Google Home和Samsung SmartThings等智能语音助理都已支持Matter。然而,要是网络服务供货商的网络突然断线了,家里的智能装置是否还能正常操作?还是必需连接到外部网络才能控制智能装
    百佳泰测试实验室 2024-06-20 15:40 113浏览
  • 在汽车的复杂电路网络中,仪表网关扮演着信息枢纽的角色。对于驾校使用大众朗逸车主而言,了解仪表网关的位置不仅有助于日常维护,更是故障诊断和车辆升级的关键所在。大众朗逸作为一款深受消费者喜爱的车型,凭借其稳定的性能和经济的油耗赢得了广泛的市场认可。然而,即便是这样一款优秀的车型,在驾校使用过程中也难免会遇到一些技术问题,这时候对仪表网关的了解就显得尤为重要。18年后的大众,网关都是标配,直接从OBD通过CAN监听是没有数据报文对外发出的,不是没有,而是避开诊断请求,这个后边说。朗逸CAN总线技术的引
    lauguo2013 2024-06-21 08:18 76浏览
  • 1. 版权保护芯片RJGT102介绍为了防止硬件电路与固件被抄袭,核心在于加密芯片和安全解决方案的设计,目前大多MPU并不具备安全防护功能,所以最好的办法是使用一颗专用的加密芯片,通过加密芯片对接MPU,进行认证,授权,保存关键数据等。RJGT102采用了SHA256对称加密算法,256位的大数加密, 加密算法强度高。每片RJGT102都有唯一的客户编码,非常适合做防抄板,防抄软件,管控工厂生产数量,防止方案外泄等。参与SHA256运算的数据为:8字节Key(可动态更换),8
    万象奥科 2024-06-20 17:37 64浏览
  • 随着科技的进步不断更迭,电子设备的传输速度越来越快,时至今日对于高速传输带宽的要求也愈来愈高。印刷电路板(PCB,以下简称PCB) 在高速传输接口中扮演不可或缺的角色,其高频特性直接影响了整体传输效能。高频特性是指PCB在高频率下的电气性能,包括阻抗、插入损耗、回波损耗、群延迟等。这些参数会影响信号的传输速度、完整性和可靠性。 PCB潜在风险 你知道吗?如果PCB的高频特性不佳时,可能会导致以下问题: 信号传输速度变慢信号衰减增加信号反射增加信号失真 这些问题都会影响电子设备的性能,甚至
    百佳泰测试实验室 2024-06-20 16:05 114浏览
  • TT电机(直流电机)的功率、电压、电流、瞬间启动电压和电流是其运行的关键参数。这些参数决定了电机的性能和适用场景**。在探讨TT电机的这些特性时,需要综合考虑其电气特性以及启动和运行条件。以下将逐一解析这些关键参数: 1. 功率:    - TT电机的功率通常取决于其设计和应用场景。例如,普通TT电机的额定功率可以在几瓦到几十瓦不等[^4^]。    - 对于不同的TT电机型号,如370电机和310电机,它们的功率输出也会有所不同。例如,370电机通常适
    丙丁先生 2024-06-21 17:18 69浏览
  • 随着汽车电子技术的发展,车辆上配备了越来越多的电子装置,这些设备多采用点对点的方式通信,这也导致了车内存在庞大的线束。造成汽车制造和安装的困难并进一步降低汽车的配置空间。因此,汽车总线逐步开始向网络化方向发展。在此背景下,CAN(Controller Area Network)总线应运而生,以其高可靠性和灵活性,成为汽车通信系统中不可或缺的一部分,承载着车辆控制、监控和诊断等关键任务。一、技术演进:从CAN到CAN FD随着技术的持续发展,传统的CAN总线在数据传输速率和带宽上逐渐显现出局限性。
    康谋 2024-06-20 13:55 73浏览
  • 电脑显示器已逐渐成为现代人时常会接触到的3C产品,能带给消费者愉快的视听娱乐,不管是看电影、追剧、听音乐放松心情,或是玩一场紧张刺激的电竞游戏。忙碌之余,能够偶尔享受闲暇时光,也是一种释放。 您是否也曾遇过,在享受电影或游戏的过程当中,显示器带给我们的影像和声音突然出现不协调的情况呢?这就像是两者间没有互相搭配好,节奏步调变得不一样!这种情况我们称为「影音延迟」或「影音不同步」。 当这类问题持续发生时,无法好好享受电影或者追剧,会让人心情烦躁。对于电竞玩家来说更是硬伤,除了分心、受干扰外,更
    百佳泰测试实验室 2024-06-20 15:55 105浏览
  • ​在为期三天的上海国际嵌入式展会中,树莓派和上海晶珩一起展示了众多的基于树莓派和CODESYS的解决方案,没去过展会现场的小伙伴千万别错过这篇文章!视频地址:https://www.bilibili.com/video/BV1c1421k7ne/?vd_source=a637ced2b66f15709d16fcbaceeb47a9这个基于Raspberry Pi 5的嵌入式系统解决方案集成了16个EtherCAT总线控制的步进电机,旨在实现高性能的多轴运动控制。Raspberry Pi 5作为核
    树莓派开发者 2024-06-21 14:29 73浏览
我要评论
0
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