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中南大学《Next Energy》:基于石墨烯权衡“岛桥”设计策略的复合气凝胶,用于镍铁电池阳极
出处:材料分析与应用  录入日期:2023-11-20  点击数:1008

  1成果简介


QQ截图20231120101039.jpg



  镍铁电池(NIB)作为典型的水电池,在理论上具有理想的电化学性能,使其成为在特定条件下供电的潜在候选电池。然而,它们仍然面临着许多棘手的实际问题,包括不尽如人意的耐久性和阳极不理想的寿命。本文,中南大学 刘洪涛教授团队在《Next Energy》期刊发表名为“Structural trade-off regulation of composite aerogels via “island-bridge” design for advanced nickel-iron batteries”的论文,研究提出了一种新的 "岛桥 "设计,通过构建活性纳米粒子 "岛 "和导电纳米片 "桥 "来构建合理的阳极网络,从而实现电化学中的权衡策略。与通常设计的金属-石墨烯复合材料相比,"岛-桥 "设计实现了丰富的氧化还原位点和足够的导电连接之间的优化平衡。
  因此,采用 "岛桥 "设计的气凝胶在无电池负极方面表现出卓越的性能,具有容量大、速率高和寿命长的特点,远远优于以石墨烯为主的复合负极和纯金属氧化物负极。此外,理论计算还验证了 "岛桥 "设计的优势机理,即它赋予了阳极众多的活性位点、高速电子通路和合适的离子穿透纳米孔隙。这项研究为深入了解微纳结构复合电极铺平了道路,为制备实用水储能的高性能阳极提供了可行的方法。
  2图文导读 


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  图
1.G@Fe-A在设计的“岛桥”结构中的示意图制备。



QQ截图20231120101054.jpg



  图2. a
Fe@G-AG@Fe-A 的光学图像。g RGO-A、Fe-A、Fe@G-AG@Fe-A 的氮吸附/解吸曲线。h RGO-A、Fe-A、Fe@G-AG@Fe-A 的孔径分布。


QQ截图20231120101102.jpg



  图3. Fe-A(a、b)、Fe@G-A(c、d)和 G@Fe-A(e-h)的典型 (HR)TEM 图像。



QQ截图20231120101109.jpg



  图4:气凝胶的 NIB 阳极性能


QQ截图20231120101117.jpg




  图5. a) Fe-A、
Fe@G-AG@Fe-A 在不同压力下的电子传导性。b) Fe-A、Fe@G-AG@Fe-A 阳极的局部电流密度模拟。c )Fe-A、Fe@G-AG@Fe-A 的不同工作机制示意图。
  3小结
  综上所述,本研究提出了一种新颖的 "岛桥 "设计策略,用于制备具有高性能和稳定循环优点的复合电极。为了体现 "岛桥 "设计的正确性和指导性,我们在制备 NIBs 阳极气凝胶电极时,简单地调整了导电石墨烯基薄片和活性 Fe3O4 的比例,通过实验测试和理论分析发现,与不恰当的组合模式相比,"岛桥 "设计的电极具有最佳的电化学储能效率和最长的循环寿命。因此,"岛桥 "设计本质上是一种权衡策略,在考虑内部离子穿透孔隙的前提下,平衡导电材料和活性材料之间的关系,从而实现最佳的储能性能和最长的使用寿命。这项工作还指出了复合组织状态在能源相关应用中的重要性,并为构建最佳电极材料提供了一种可行的方法。
  文献:


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