南京航空航天大学张校刚教授等Nano‑Micro Lett.:"盐包水”电解液,2.8 V宽电压窗口超稳定水系锂离子电容器
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锂离子电容器兼顾了锂离子电池高能量密度和超级电容器高功率密度的特点。水系锂离子电容器因其潜在的低成本、高安全性和环境友好的特点吸引了研究者的广泛关注。然而,常规的水系锂离子电容器受限于窄的电压窗口和不稳定的电池型材料,其比容量较低、循环寿命不佳,限制了水系锂离子电容器的进一步发展。因此,拓宽水系电解液的电压窗口、开发高稳定的电池型材料是发展高性能水系锂离子电容器的关键。
Niobium Tungsten Oxide in a Green Water‑in‑Salt Electrolyte Enables Ultra‑Stable Aqueous Lithium‑Ion Capacitors
Shengyang Dong, Yi Wang, Chenglong Chen, Laifa Shen*, Xiaogang Zhang*
Nano‑Micro Lett.(2020)12:168
本文亮点
1. 开发了一种绿色的乙酸锂基“盐包水”电解液,电化学稳定窗口高达2.8 V。2. 分子动力学模拟表明电压窗口的拓宽主要源于“盐包水”电解液中水之间的氢键网络被打断,且离子之间的相互作用增强。3. Nb₁₈W₁₆O₉₃为负极的锂离子电容器循环50000圈后的容量几乎没有衰减。内容简介
南京航空航天大学张校刚、南京信息工程大学董升阳等合作开发了一种绿色低成本的乙酸锂基“盐包水”电解液,将电化学稳定窗口拓宽到2.8 V。分子动力学模拟表明与乙酸锂稀溶液相比,“盐包水”电解液中水之间的氢键网络被打断,且离子之间的相互作用明显增强。这可能是乙酸锂基水系电解液电化学稳定窗口拓宽的主要原因之一。
得益于宽的电化学稳定窗口,使得在有机体系中具有超高储锂性能的Nb₁₈W₁₆O₉₃ (NbWO)负极可以在该水系电解液中稳定工作。采用球差矫正扫描透射电子显微镜精确解析了NbWO的原子结构,明确了NbWO具有大的离子传输通道。即使在24 mg cm⁻²的高负载量下,NbWO电极仍保持了较好的电化学性能。以NbWO为负极,匹配石墨烯正极构建的锂离子电容具有较高的能量密度(42 Wh/kg)、功率密度(20 kW/kg)和极好的循环稳定性(50000圈)。
图文导读
I “盐包水”电解液表征
首先采用分子动力学模拟(MD)分析了乙酸锂(LiAc)电解液的微观结构,模拟结果表明与1 m LiAc稀溶液相比,13 m LiAc溶液中水之间的氢键网络被打断,且Li⁺和Ac⁻与H₂O之间的相互作用更加强烈(图1a-f)。这可能是13 m LiAc电解液电化学稳定窗口拓宽的主要原因之一。CV测试表明13 m LiAc具有高达2.8 V的电化学稳定窗口(图1g)。进一步的TD/DSC测试表明,13 m LiAc也具有更高的热稳定性(图1h)。需要指出的是,即使在13 m的高浓度下,LiAc电解液的电导率仍高达65.5 mS/cm(图1i)。
原文链接
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00508-z
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