从先进的设计策略和工程技术探讨高性能钾离子电池外文翻译资料

 2022-08-12 02:08

英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

从先进的设计策略和工程技术探讨高性能钾离子电池

摘要：钾离子电池（PIBs）因其低成本、电解液中离子导电性好、工作电压高等优点而备受关注。然而，对PIBs的研究仍处于初级阶段，了解各组成部分的缺点，提出克服这些问题的研究策略，对于探索合适的电极材料/电解质，建立电极/电池组装技术，进一步开发PIBs具有重要意义。在本文中，我们总结了我们目前在这一领域的认识，分类并强调了解决PIBs研究中关键问题的设计策略，并提出了PIBs朝着实际应用方向发展的可能途径。本文总结的策略和观点旨在为越来越多的研究者探索下一代高性能PIBs提供实践指导，该方法也可应用于开发其他储能系统。

目录

导言 2

1 PIBs的挑战 3

1.1 钾离子储存的主要具体问题/挑战，如下所示。 3

1.1.1 固体电极中的低离子扩散率/低K 反应动力学 3

1.1.2 钾化/去钾化过程中体积变化大 4

1.1.3 严重的副反应及电解液消耗 4

1.1.4 枝晶生长 4

1.1.5 蓄电池的安全隐患 4

1.1.6 有限的能量密度/功率密度 4

2 PIBs设计与改进的策略 5

2.1 通过纳米结构设计与工程提高K 反应动力学 5

2.2 利用碳基质缓冲体积变化和提高导电性 7

2.3 通过调节电子结构和增加杂原子掺杂的缺陷和空位来增强动力学 9

2.4 通过电极设计提高能量密度 13

2.5 设计新型K基系统追求高能量/功率密度和安全的PIBs电池 13

2.6 利用理论DFT计算预测具有增强反应动力学的最理想电极材料并深入了解电化学机理 14

3 总结和展望 17

3.1 开发先进电极材料 17

3.2 电解液优化 18

3.3 电池安全问题 19

3.4 全单元设计 19

3.5 高通量计算设计和仿真 19

参考文献和注释 20

导言

开发高性能优异锂离子电池（LIBs）对于调节间歇式太阳能和风能的能量输出至关重要，鉴于化石燃料能源（1-3）造成的环境问题，间歇式太阳能和风能未来将占据越来越多的能源份额。由于锂的稀有性 （0.0017%），且在地壳中分布不均，成本高，锂离子电池不能满足低成本、高能量密度、长循环寿命和快速充放电（1，2）的储能装置的需求。钠离子电池（SIBs）由于其高丰度、低成本等优点，作为LIBs的一种很有前途的替代品受到了广泛的关注。然而，钠离子化学的固有化学特性源于其高标准还原电位（-2.71 v相对于标准氢电极），极大限制了SIBs的能量密度，这使得它们无法应用于某些实际应用，例如电动汽车（4）。

钾的标准还原电位较低（-2.93 V相对于标准氢电极），因此其有相对较高的能量密度，钾与锂的标准还原电位（-3.04 V相对于标准氢电极）接近（图1A）。钾离子电池成本低，归因于地壳中钾的丰度（1.5 wt%）(5)（图1B）；以及它们在电解质中的快速离子传输动力学。与钠相比，金属钾的价格相对较高；但是，钾盐，即制造电极的原材料（K2CO3）的价格与Na2CO3类似，Na2CO3比Li2CO3便宜得多。此外，铝箔可以作为PIBs中的集流器代替LIBs中的铜箔，这不仅可以显著降低PIBs的价格，还可以减轻集流器的重量，解决过放电问题（6）。尽管钾的原子半径（1.38 Aring;）比锂（0.68 Aring;）和钠（0.97 Aring;）的大，但在碳酸丙烯酯（PC）溶剂中K 的斯托克斯半径（3.6 Aring;）的Li （4.8 Aring;）和Na （4.6 Aring;）的小（图1C）（7），表明它具有最高的离子迁移率和离子电导率。此外，在从头计算ab initio分子动力学模拟（MDS）研究中表明，K 的扩散系数约为Li 的3倍。在上述优点的基础上，用K 代替Li 可以在不牺牲比容量的前提下，提高电极的倍率性能，实现高质量负载。

最近，我们看到关于PIBs的出版物惊人的增长速度（图1D）。基于电极材料、电解液和电极/电池结构的设计和开发，越来越多的研究致力于理解PIBs的电化学特性，并通过各种策略改善和实现PIBs的高电化学性能。具体而言，所涉及的策略，例如纳米结构设计、导电基质应用、杂原子掺杂、电解质优化/电极设计，在许多方面发挥重要作用，例如操纵界面反应、缓解体积变化、调节电子结构，避免过度的副作用。本综述旨在强调：（i）影响PIBs未来发展的关键问题，（ii）实现高性能PIBs的最新战略和进展，以及（iii）针对低成本、长寿命、安全和快速充放电PIBs的可能方向和途径。我们的主要目标是阐明开发PIBs的具体策略，为下一代PIBs的未来发展提供可能的方向，并为其他储能设备的开发提出方法论建议。

PIBs的挑战

我们需要开发高能量密度的电极以保证电池的高能量输出，并且应通过材料/电极设计保持结构稳定性，以确保电池的长循环性能。为了实现PIBs的高能量密度和高循环稳定性，需要深入研究PIBs的界面化学、固体电极中的离子扩散、电解质功能以及它们之间的相互关系

图1. PIBs的机遇和挑战。（A） LIBs、SIBs和PIBs在能量密度方面的比较。（B） 地壳中锂、钠和钾金属的丰度（wt%）。（C） Li 、Na 、K 的Stokes半径（D）根据Google Scholar（截至2019年1月）在PIBs上的出版物数量。（E） 总结 PIBs的挑战及其关系。

钾离子储存的主要具体问题/挑战，如下所示。

固体电极中的低离子扩散率/低K 反应动力学

PIBs的速率性能不仅与电解质中的离子扩散有关，还与固体电极中的离子扩散率和电子转移有关。尽管钾具有最弱的路易斯酸度和最小的斯托克斯半径，其在电解质中离子可以快速导电；但由于K 的原子尺寸较大（9），其在固体中的离子扩散率较差，仍然可能对反应动力学构成限制。

钾化/去钾化过程中体积变化大

在循环过程中，电极材料由于K 的嵌入/脱嵌而发生体积变化。结果表明，钾化后石墨的体积膨胀率约为61%，是锂化后的6倍。高理论容量的合金/转换基阳极在循环过程中经历了更大的体积变化（Sb2S3约为400%，Sn4P3约为681%）（11）。连续循环过程中如此巨大的体积变化无疑会导致电极粉碎并产生一些“死区”，这些死区与导电剂电隔离并导致容量衰减（12）。

严重的副反应及电解液消耗

由于K /K的电化学电位较低，电解液中的溶剂很容易在电极表面（13）上被还原。据报道，在较低的截止电压下循环的电池显示出相对较低的首圈库仑效率，这表明在较低的截止电压下会发生更多的副反应。严重的副反应将进一步消耗电解液，并在一定次数的循环后导致电解液干燥，导致极化急剧增加，并导致电极容量（11）退化。

枝晶生长

钾枝晶生长在PIBs的研究中以及其直接以金属钾为阳极的新型电池体系（K-S（14）、K-Se（15）和K-O2（16））中都应受到重视。钾金属的电镀和剥离电化学以及不均匀的离子流或电子分布将导致钾以树枝状沉积，这可能会引起内部短路从而引起的安全问题。

蓄电池的安全隐患

电池的安全性受到散热不良的威胁，热失控被认为是引起安全问题的主要原因。与锂相比，K具有更低的熔点和更多的反应特性；因此，需要更多地关注PIBs以解决此类安全问题。据报道，K-石墨系统可以在较低的温度（100°C-150°C）下进入热失控状态，但与商用锂石墨阳极（395 J g-1-1048 J g-1）相比，它产生的热量更少（17）。与热失控有关的安全问题仍然很复杂，特别是对于PIBs系统，应从电极材料、电解液、电池结构等方面加以解决。

有限的能量密度/功率密度

作为LIBs的替代选择，PIBs的能量密度和功率密度应考虑到未来的实际应用（18）。虽然PIBs的工作电压比SIBs高，与LIBs类似，但由于K原子质量大，加上嵌入/脱嵌过程中反应动力学缓慢，PIBs的最高能量密度和功率密度仍然受到限制。

理解这六个主要问题之间的相互关系（图1E）可能是面对和解决这些问题的最有效方法。在循环过程中，固体电极中离子扩散率低会导致反应动力学迟滞，影响电池的离子迁移速率和电化学性能。此外，循环过程中的大体积变化可能会破坏电极的完整性并导致电极粉化，这可能会导致新形成的表面上形成固体电解质界面层（SEI），进一步引起严重的副反应。对于金属阳极而言，电子分布不均匀会加速副反应，导致枝晶生长，进而导致SEI进一步断裂。SEI层在电极表面不断形成，消耗电解液，进一步增加电极极化，导致容量衰减。总之，枝晶生长/安全性问题、严重的副作用、不稳定的SEI膜、低离子运动速率和大体积变化最终会导致电池容量衰减和失效。

PIBs设计与改进的策略

通过纳米结构设计与工程提高K 反应动力学

纳米结构电极是随着纳米技术的发展而发展起来的，为了提高金属离子电池（19）的电化学性能，人们在纳米结构设计方面做出了很大的努力。由于PIBs中K 的尺寸较大，电极材料的纳米结构设计是缩短钾离子扩散长度的最有效途径之一，从而可以提高其速率性能和循环性能，从而提高K离子扩散率/反应动力学。

纳米结构设计已成功应用于大多数阳极材料和阴极材料，如碳基材料[石墨（10，20）、空心碳（21）和石墨烯（22））、合金基电极（11，23）、氧化物（24）、硫化物（25，26）、硒化物（27）和普鲁士蓝（PB）及其类似物（28-30）（图2）。对石墨的几种纳米结构进行研究，包括多晶（20）和纳米笼（31）结构。其中，三维互连网络结构由于其天然的高导电性，可以提供快速的电子传输能力，并为离子传输提供足够的通道。因此，为了在K 嵌入/脱嵌过程中有效地保持网络的结构稳定性我们提出了高石墨化碳纳米笼，各向异性笼状结构可以防止层间滑动并确保结构的完整性，从而在35 ℃下获得79%的高容量保持率（31）。此外，用软碳、碳纳米管、碳纳米球（21）和碳纳米纤维（32）等碳基阳极代替石墨阳极，显著提高了电极的循环稳定性。多孔结构具有高比表面积的特点，有利于电解液与活性物质的接触，从而提高库仑效率。在最近的一项研究中，合成了一种多孔碳纳米纤维电极，该电极具有优异的速率性能（在20 A gminus;1时为101 mA h gminus;1）和良好的长循环稳定性（4000个循环）（32）。除碳基材料外，硫/硒基和合金/转化基阳极材料因其高的重量和体积比容量而成为很好的候选材料。迄今为止，已经为VS2、SnS2、MoS2、Sb2S3、CoS和VSe2设计了纳米颗粒（33）、纳米片（25）、纳米玫瑰（34）和纳米团簇（26）。这些设计可以有效地缓解硫/硒基电极的体积变化，在一定程度上改善反应动力学。特别是，随着我们小组制备的Sb2S3纳米片厚度的减小，离子扩散路径的缩短可以提高速率能力，特别是在高电流密度情况下（9）。Liu等人。报道了K0.6MnF2.7空心纳米立方体作为零应变材料可以用于增强钾的储存，只有1.4%的体积膨胀和可忽略的晶格参数变化（lt;1%），这使得即使在10000次循环（35）之后，也可以提供超过100 mA h gminus;1。阴极的纳米化设计也在一定程度上促进了结构的完整性和稳定性，从而提高了循环性能，保证了K 的可逆嵌入/脱出。铅及其类似物具有纳米多孔纤维、纳米颗粒和纳米立方体的结构，由于其具有开放的骨架和大的间隙，可以实现快速的离子输运，因此被广泛用作PIBs的阴极。He等人对晶体大小的普鲁士白粉的电化学性能进行了详细的比较，证明粒径为20 nm的优化阴极材料可以提供接近理论可逆容量140 mA h gminus;1（36）。

虽然纳米设计可以在一定程度上促进K 反应动力学，提高电

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[236969]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章