白癜风哪家医院看的好 https://jbk.39.net/yiyuanzaixian/bjzkbdfyy/xcxbdf/水系锌离子电池具有高安全性、低成本和环保等优势，有望取代或补充现有锂离子电池技术而应用于大规模储能领域。然而，二价锌离子与正极材料晶格存在强的静电相互作用，使得正极材料在反复锌离子嵌入/脱出过程中易发生晶格应变、氧化还原中心金属离子溶解和晶体结构坍塌，进而导致差的充放电循环寿命。此外，强静电相互作用也导致锌离子在正极材料中的离子扩散动力学缓慢。因此，探索具有低晶格应变和快速动力学的低成本正极材料是当下亟待解决的关键问题之一。近日，中国科学院福建物质结构研究所孙传福课题组首次报道了一种可大量制备、准零晶格应变和晶格水富集的无机开放式框架结构正极材料KV2O4PO4·3.2H2O（KVP）。KVP在锌离子的嵌入/脱出过程中表现出1%的晶格变化。该准零晶格膨胀特性保证了KVP正极材料在充放电过程中的结构稳定性，进而实现了次长循环寿命的水系锌离子电池。同等重要的是，大量晶格水的存在可以有效地屏蔽锌离子与正极材料框架间的静电相互作用，实现了超快速充放电（1.9分钟充电71%）和超高功率密度（在能量密度Whkg-1下为Wkg-1）。单体电池能量密度和功率密度可达到90Whkg-1和Wkg-1，远高于商业化的铅酸、镍铬和镍氢电池。该工作为开发稳定和可快速充电的锌离子电池提供了新的研究思路。该文章发表在国际顶级期刊AdvancedMaterials上。硕士研究生杨鑫和邓文卓博士为本文第一作者。在锌离子电池体系中，锌离子与材料晶格间的强静电相互作用不但降低了材料在充放电过程中的晶体结构和循环稳定性，也导致缓慢的固体离子迁移动力学。利用无机开放式框架结构中存在的大量结构空隙理论上可以实现高的锌离子存储比容量和低的晶格膨胀率。此外，之前的研究结果表明，晶格水分子的存在可以有效屏蔽锌离子电荷，从而实现提升锌离子迁移动力学。鉴于此，该工作提出晶格水富集无机开放式框架材料思路，利用一系列实验表征和理论计算对其如何缓解锌离子电池循环稳定性差和反应动力学缓慢的问题进行了较为深入的探索。1.材料的制备、组成、结构通过简单加热回流30分钟便可制得纯相微米级棒状材料，然后通过球磨法实现材料的纳米化(~nm)。相比于水热和溶剂热等方法，该合成方法更有利于材料的批量制备。KVP具有三维框架结构，其中VO6多面体与PO4多面体沿着a轴方向连接，构成有效的三维通道，为锌离子的储存提供大量的结构孔隙。此外，通道中的晶格水分子能有效降低锌离子与材料之间的静电相互作用，有利于锌离子的快速扩散。图一：KVP的制备过程及形貌、化学组成2.材料电化学表征通过CV及不同电流密度下的恒电流充放电进行电化学表征。在mAg-1的电流密度下经过次充放电循环仍具有83%的比容量，平均库伦效率高达99.%。在3Ag1的大电流密度下，次循环之后的容量保留率为75%，平均库伦效率高达%。论证了该材料的优异循环稳定性。KVP电化学性能表征3.动力学表征通过GITT、变速CV和理论计算对材料动力学进行表征。该材料的扩散系数可达到10-9~10-10，比锂离子在LiFePO4和LiCoO2中的扩散速率高2-4个数量级。KVP每个氧化还原中心含有1.6个晶格水分子，高于之前报道材料的晶格水含量。大量的晶格水起到了“电荷屏蔽”的作用，有助于锌离子在KVP中的快速迁移。通过DFT计算，在沿“Z”字形的迁移路径下，其扩散能垒仅为0.66eV，甚至与锂离子在磷酸铁锂中的扩散能垒相当（0.55eV）。KVP的扩散动力学表征及计算4.机理研究利用非原位XRD和XPS表征研究了KVP的嵌/脱锌机理。在嵌锌过程中，部分特征峰向小角度偏移，表现出固溶体反应机理和十分微小的晶格体积膨胀（0.76%）。脱锌反应中，发生偏移的峰重新回到初始位置，且体积膨胀＜1%。这种准零晶格应变特性直接对应于材料所展现的长循环稳定性。非原位XRD、XPS对反应机理的探究5.软包电池单体电池的能量密度和功率密度达到90Whkg-1和Wkg-1，远高于商业化的铅酸、镍铬和镍氢电池；功率密度甚至和商业化锂电池NMC相当。软包电池可成功点亮颗并联的LED灯泡，并在mAg-1的电流密度下达到6.5mAh的容量，循环60圈后仍具有98.5%的容量保留率和接近%的库伦效率。在mAg-1的电流密度下，软包电池实现了4.3mAh的容量和次的长循环寿命。软包电池性能展示该研究论证了在晶格水富集的无机开放框架结构中可以实现快速、可逆的Zn2+嵌入和脱出，有望缓解现在锌离子电池面临的循环稳定性差和动力学迟缓的问题。一方面，准零晶格应变特性保证了优良的循环稳定性(次循环)和高库仑效率（%）。另一方面，大量晶格水的电荷屏蔽作用有利于加速Zn2+的迁移，从而实现超快速充电和超高功率密度。得益于材料的简单且可批量制备、低成本以及高于商业化铅酸、镉镍、镍氢的能量密度和功率密度，这种新型锌离子电池有望做为现有铅酸/锂离子电池体系的补充或替代而应用于汽车启动电源和大规模储能领域等。此外，晶格水富集无机框架结构材料有望拓展到其它水系离子电池体系(如一价钾、二价镁/钙和三价铝离子电池)，为高性能电池的发展提供新思路。埃尔派提供的电池材料生产线满足以下要求（1）完全陶瓷化，磁性物质摄入量小于30PPB。（2）闭路系统。气体循环使用，水分增量小于50PPM。（3）单机产能大型化。三元材料、钴酸锂、锰酸锂等小时产能最高1吨，磷酸铁锂、碳酸锂等小时产能最高3吨。（4）低排放。采用塑烧板过滤除尘，过滤精度可达0.1μm。（5）良好的球形度，堆积密度高。（6）人性化设计，部件更换、拆洗方便。（7）智能化设计。工艺参数可储存，历史记录可查询，支持远程数据采集和监控。（8）可选用防爆设计。（9）可提供相关验证文件。埃尔派的核心竞争优势：（1）设备内衬可根据电池产品需要选用氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅等陶瓷材料，最大限度地减少杂质摄入量，保证产品纯度。（2）陶瓷粉碎盘和分级轮等关键部件最高线速度超过米/秒，陶瓷件成型技术重大改进，多晶三元材料单机粉碎产能突破0kg/h，能耗节省50%。（3）粉碎系统采用闭环式惰性气体保护，使系统中空气含量保持最低值，最大程度地减少水分摄入，水分增量小于50PPM。（4）自动化和智能化的设计理念在最大程度上保证产品的一致性和重复性。作者简介：孙传福：理学博士、课题组长、研究员、博士生导师。年博士毕业于中科院福建物质结构研究所。年至年在美国马里兰大学进行博士后研究。年获得“中国科学院海西研究院百人计划”，入职福建物质结构研究所。曾获得中国科学院百篇优秀博士学位论文、中国科学院院长优秀奖等荣誉。研究成果以通讯/第一作者身份发表在J.Am.Chem.Soc.、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv.Mater.、NanoLett.、ACSNano、NanoEnergy、EnergyStorageMater.、Chem.Sci.等杂志期刊上；目前主持中国科学院海西研究院百人计划项目（1项）、国家自然科学基金面上项目（2项）和青年项目（1项）、和福建省自然科学基金面上项目（1项）等。课题组主要研究方向为晶态离子电池新材料和二次离子电池新体系。
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