DOI:10.1002/((请添加稿件编号)) 文章类型:综述 改善水系多价金属离子电池层状结构正极的策略 吴晨,谭辉腾,黄文静,刘春泰,魏伟峰,陈利宝*,闫庆宇* 吴晨,中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙 410083,中国。 南洋理工大学材料科学与工程学院,新加坡 639798,新加坡。 谭辉腾博士、黄文静博士,南洋理工大学材料科学与工程学院,新加坡 639798,新加坡。 刘春泰 郑州大学材料加工与模具教育部重点实验室,郑州 450002,中国。 魏伟峰教授、陈利宝教授,中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙 410083,中国。电子邮件:lbchen@csu.edu.cn 严庆宇教授,南洋理工大学材料科学与工程学院,新加坡 639798,新加坡。电子邮件:alexyan@ntu.edu.sg 关键词:多价金属离子电池、形态工程、结构工程、电解质工程 亮点
材料科学领域只见证了极少数具有彻底改变我们世界的潜力的发现和技术进步,而二维 (2D) 材料的出现是其中的佼佼者。2004 年,石墨烯从石墨中分离出来,这种材料的特点是原子级薄度,主要受表面效应的影响,开辟了材料科学的新领域。二维材料的研究,包括石墨烯及其对应物,如硅烯、锗烯、磷烯,以及过渡金属二硫属化物 (TMD)、MXenes 和其他层状半导体,已经发展成为一项全球性的努力,涉及物理、化学、工程和生物等不同领域的数千名研究人员。二维材料的独特之处在于其层状结构,包括强的平面内化学键和层间弱的平面外耦合。这种结构排列允许单个原子层分裂,当材料厚度减小到单层或几层时,电子特性会发生非凡的变化。这种现象被称为量子限制,它赋予二维材料独特且往往出乎意料的特性,推动了对各个领域新应用和创新途径的探索。随着研究人员深入研究这些层状材料的复杂性,越来越明显的是,它们有望开启前所未有的可能性,为科学技术的突破性进步铺平道路。
摘要:具有层状晶体结构和高平面各向异性的材料(例如黑磷)具有独特的性能,因此有望应用于电子和光子器件。最近,GeS 2 和 GeSe 2 的层状结构因其高平面光学各向异性和宽带隙而被用于短波长区域的高性能偏振敏感光电检测。高度复杂、低对称(单斜)晶体结构是高平面光学各向异性的起源,但相应纳米结构的结构性质仍有待充分了解。在这里,我们展示了单斜 GeS 2 纳米结构的原子级表征,并通过 Cs 校正扫描透射电子显微镜量化了实空间中亚埃级的平面结构各向异性。我们通过密度泛函理论 (DFT) 计算和基于轨道的键合分析,阐明了这种高平面内各向异性的起源,即 GeS 2 单层中 [GeS 4 ] 四面体的有序和无序排列。我们还展示了单层 GeS 2 中的高平面内机械、电子和光学各向异性,并设想了单轴应变下的相变,可能用于非易失性存储器应用。关键词:二硫化锗、复合二维材料、亚埃成像、键合机制、平面内各向异性 T
纳米层压膜是由不同材料交替层组成的复合膜 [1]。这些多层纳米结构因能够调整其机械或物理性质以用于各种特定应用而备受关注。例如,在微电子领域,人们考虑将其用作介电绝缘体 [2,3]。事实上,人们现正致力于制备具有高介电常数和良好化学/热稳定性的多组分体系。特别是 Al 2 O 3 -HfO 2 纳米层压膜似乎是最有前途的体系,可用于硅基微电子器件 [4-9] 以及下一代电力电子器件 [10-15]。能够充分利用 Al 2 O 3 和 HfO 2 单一材料的最合适性质,促使人们研究将它们组合成层压体系。实际上,众所周知,Al 2 O 3 具有极其优异的化学稳定性和热稳定性、大的带隙(约 9 eV)、与不同半导体衬底的带偏移大,但其生长会形成高的氧化物陷阱电荷密度,但其介电常数值并不高(约 9)[16]。对于 HfO 2 介电氧化物,虽然可以实现相当高的介电常数值(约 25),但由于其在相对较低的温度(约 500°C)下从非晶态转变为单斜晶态,因此可靠性较低,并且由于其带隙很小(5.5 eV)所以漏电流密度高[16]。在这种情况下,由两种 Al 2 O 3 -HfO 2 高 k 氧化物组成的纳米层状结构是提高热稳定性和维持高介电常数值的有前途的解决方案。
几十年来。 [1] 目前商业化锂离子电池的能量密度受到层状结构正极材料(如 LiCoO 2 和 LiNixMnyCo1−x−yO2)的限制,由于材料晶格中 Li+ 主位点有限,只能提供小于 220 mAh g−1 的比容量。 [2] 此外,锂离子电池市场的快速扩张导致钴和镍价格飙升(2022 年钴金属价格高达 90 美元/千克)。因此,迫切需要探索高能量密度、低成本的无钴、无镍正极材料。转化型材料通常由 Fe、Cu、O 和 S 等价格较便宜且环境友好的元素组成,其容量比插层型电极材料高得多。 [3] 在各种转化化合物中,过渡金属氟化物(MF x )既提供> 2.0 V 的高氧化还原电位(由于金属氟化物键的高离子性),又提供大容量,因为每单位分子式允许多个电子转移,从而实现相当高的理论能量密度。[4] 转化正极面临的一个主要挑战是循环稳定性。优化的 Fe 基氟化物如 FeF 2 、FeF 3 、FeOF 和 Fe 0.9 Co 0.1 OF 可以稳定地充电/放电几百次循环。[5] 然而,Fe 基正极的能量密度仍然不够高。氟化铜(CuF 2 )比 Fe 基氟化物提供了更高的比能量密度(1874 Wh kg −1 ),因为它对 Li/Li + 的理论电位高达 3.55 V,理论容量为 528 mAh g −1 。[6]
在 IV 族单硫族化物中,层状 GeSe 因其各向异性、1.3 eV 直接带隙、铁电性、高迁移率和出色的环境稳定性而备受关注。电子、光电子和光伏应用依赖于合成方法的开发,这些方法可以产生大量具有可控尺寸和厚度的晶体薄片。在这里,我们展示了在低热预算下,在不同基底上通过金催化剂通过气相-液相-固相工艺生长单晶 GeSe 纳米带。纳米带结晶为层状结构,带轴沿着范德华层的扶手椅方向。纳米带的形态由催化剂驱动的快速纵向生长决定,同时通过边缘特定结合到基面而进行横向扩展。这种组合生长机制能够实现温度控制的纳米带,其典型宽度高达 30 μm,长度超过 100 μm,同时保持厚度低于 50 nm。单个 GeSe 纳米带的纳米级阴极发光光谱表明,在室温下具有强烈的温度依赖性带边发射,其基本带隙和温度系数分别为 E g (0) = 1.29 eV 和 α = 3.0×10 -4 eV/K,证明了高质量 GeSe 和低浓度的非辐射复合中心,有望用于包括光发射器、光电探测器和太阳能电池在内的光电应用。
异质结构 (HS) 材料由于其多种微观结构和优异的物理性能而受到广泛研究[1 e 5]。它们由不同性质的软硬异质区组成,不同区域之间的协同效应可改善物理性能。HS 材料根据硬区形状可分为层状结构[6,7]、梯度结构[5,6,8,9]、层压结构[10 e 13]、双相 (或多相) 结构[14 e 19]和核壳结构[20 e 22]。十年来,另一种互连 (或互穿) 结构一直受到人们的关注。这种结构具有双连续的两个不同的区域,其中硬相和软相都是连续的且相互交错。这种独特的结构包括胞状结构(如螺旋状结构)和由旋节线分解形成的空间无序模式。双连续结构的软区和硬区在机械上互相约束。增材制造[23,24]和粉末冶金[25,26]已用于开发互连的HS材料。然而,这些方法在区域大小及其分布方面存在技术限制。纳米级区域和均匀分布对于提高协同效应至关重要。最近,作者提出,通过液态金属脱合金(LMD)合成的3D互连HS材料在克服强度-延展性权衡方面具有巨大潜力[27]。从(FeCr)50Ni50前驱体中,可混溶的Ni选择性地溶解在Mg熔体中。
新疆师范大学化学化工学院,乌鲁木齐 830054 新疆,中国 * 电子邮件:suzhixj@sina.com 收稿日期:2019年11月8日 / 接受日期:2020年1月9日 / 发表日期:2020年5月10日 电极废弃物 LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 回收的关键是有效地将正极材料与金属Al箔分离,以提高回收率。本文描述的方法利用有机溶剂与聚偏氟乙烯 (PVDF) 的相容性、超声波引起的空化和对流效应以及 PVDF 的分解温度。探索了超声处理持续时间、有机溶剂类型、有机溶剂与正极材料的比例、搅拌温度、搅拌时间、超声处理和搅拌顺序以及煅烧温度,以确定最佳条件。由此确定最佳剥离效率约为 93 %。将经有机溶剂预处理后的正极材料进行煅烧,通过 600 ℃煅烧有效去除 PVDF 粘结剂,在 800 ℃煅烧可得到具有合适层状结构和最好电化学性能的正极材料,首次放电比容量为 164.2 mAh g -1 。经过 50 次充放电循环后放电比容量为 132.4 mAh g -1,容量保持率为 80.6 %。关键词:LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 ;回收利用;溶剂溶解法;电极废料;超声波 1. 引言
二维 (2D) 材料是一类新兴的纳米材料,具有丰富的结构和卓越的性能,将带来许多变革性的技术和应用 [1]。自 2004 年首次发现石墨烯以来,二维材料家族已急剧扩展,包括绝缘体(六方氮化硼 [h-BN])、半导体(大多数过渡金属二硫属化物 [TMDCs]、黑磷 [BP] 和碲 [Te])、半金属(部分 TMDCs 和石墨烯)、金属(过渡金属碳化物和氮化物 [MXenes])、超导体(NbSe 2 )和拓扑绝缘体(Bi 2 Se 3 和 Bi 2 Te 3 )[2, 3]。二维材料的原子厚度和悬挂自由表面以及优异的光学、电学、磁学、热学和机械性能使其在光通信、电子学、光电子学、自旋电子学、存储器、热电学以及能量转换和存储器件中具有巨大的应用前景[4, 5]。著名纳米材料学家刘忠范指出,“制备决定未来”是所有材料的必然规律。在过去的十年中,一系列的制备技术被开发来制备二维材料,以满足其基础研究和各种应用的需要。鉴于二维材料的层状结构,主要的制备技术可分为两大类:自上而下和自下而上的方法。在本章中,我们将介绍近年来发展的二维材料制备技术,包括两种自上而下的方法(机械剥离和液相剥离)和一种自下而上的方法(气相生长)。这里我们给予更多的篇幅来介绍二维材料气相生长中的单晶生长、厚度控制和相位控制。
碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料在各个行业中都是必不可少的,这是由于其出色的强度与重量比率,出色的耐用性和较高的刚度。但是,CFRP的有效回收仍然是一个重大挑战,需要开发先进技术和更可持续的废物管理解决方案。在这项研究中,我们提出了一种将CFRP废物升级为大量碳纤维复合闪光石墨烯(CFC-FG)的有效且可再现的方法,该方法是通过成本效益的闪光灯焦耳加热(FJH)在毫秒范围内的。所得的闪光石墨烯的广泛特征是形态,结构,光谱和化学分析。这些研究揭示了高度多孔的层状结构,其氧官能团和涡轮质石墨结构低。重要的结构特征,包括拉曼光谱中的独特d'峰和在选定区域电子衍射(SAED)中观察到的椭圆形图案,强调了其独特的特性。这些CFC-FG的这些组合属性在两电子氧还原反应(2e-ORR)中对过氧化氢(H 2 O 2)产生了出色的电化学性能(2e-ORR)。CFC-FG在0.1 M KOH中显示出近100%的选择性和良好的活性,稳定性测试证实了性能的保留,使其成为实际电气合成应用的有前途的候选人。这项工作的核心概念是为H 2 O 2电气合成的回收,可持续的Elec trocatalyst开发出循环经济并支持全球可持续性目标。