作者:邢伟等 来源:《德国应用化学》 发布时间:2021/11/15 12:59:08
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中国石油大学实现铝离子电池新突破

 

2021年11月09日,中国石油大学(华东)邢伟教授团队在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了一篇题为“Polycyclic Aromatic Hydrocarbons as a New Class of Promising Cathode Materials for Aluminum-Ion Batteries”的新研究。

该研究团队采用量子化学计算作为理论指导,发现了共轭多环芳烃的优异储铝活性,该工作为储能材料的发展提供了一种可行的“理论指导实践”的研究模式,也为铝离子电池提供了一类有前景的新型正极材料。论文通讯作者是邢伟、赵联明、李学进;第一作者是孔冬青、蔡同辉。

随着化石能源大量使用所带来的环境压力,人们开始更多地关注可再生能源和储存技术的开发。其中,二次电池由于具有绿色环保、能量密度高和循环寿命长等优点而已经渗透于我们日常生活的各方面。在众多的二次电池体系中,铝离子电池(AIBs)因为负极铝金属储量大、成本低和非可燃性电解液安全性高等优点有希望广泛应用于大规模储能。尽管阳极铝理论容量巨大,但是电池的能量密度受限于正极材料,因此高容量正极材料的开发至关重要。石墨类材料可通过AlCl4-进入石墨层间形成插层化合物来实现能量储存。全充电状态时,形成四阶石墨插层化合物,即每四层石墨片层插入一层活性离子。这也导致石墨的理论容量偏低。受石墨大共轭π键的启发,具有单层共轭结构的多环芳烃有希望打破多阶插层化合物形成对储铝容量的限制。

近日,中国石油大学(华东)邢伟教授团队以量子化学计算为指导,发现具有共轭结构的多环芳烃具有优异的储铝活性。该工作为储能材料的发展提供了一种可行的“理论指导实践”的研究模式,也为AIBs提供了一类有前景的正极材料。

多环芳烃是一类有前景的铝离子电池正极材料。作者选用具有小共轭体系的苯及多环芳烃(PAHs),包括苯(C6H6)、萘(C10H8)、蒽(C14H10)、芘(C16H10)、苝(C20H12)、六并苯(C22H12)和晕苯(C24H12)作为研究对象,首先采用量子化学计算从理论上预测其用于AIBs 正极材料的可能性。量子化学计算结果表明,稠环芳烃分子结构中的共轭π键与AlCl4-存在中等强度的相互作用(-0.78~-1.26 eV),具有作为铝离子电池正极材料的潜力。此外,随着稠环芳烃中苯环个数的增加,理论比容量总体上呈现负相关性。在理论计算的指导下,实验研究了理论比容量相对较高的蒽。电化学测试表明,蒽展现出了优异的电化学性能,在100 mA g-1的电流密度下,放电比容量高达152 mAh g-1,800 圈循环后,电池容量仍可以保持在130 mAh g-1

图1:多环芳烃作为AIBs正极材料的活性位点理论分析

图2:多环芳烃与储能活性离子相互作用理论分析

图3:多环芳烃理论容量变化规律以及三环蒽、四环芘和七环晕苯的实际容量。

图4:蒽电极电化学性能。

图5:蒽电极的储能机理表征

共轭结构实现优异电化学性能。量子化学计算和可靠的实验证据表明,蒽作为AIBs正极材料的储能机制是基于蒽分子与AlCl4-的平面吸附,多环芳烃平面结构中的共轭π键和γ C-H键与AlCl4-之间适度的相互作用可以实现储铝。这项工作将为寻找用于AIBs甚至其他储能器件的高性能电极材料开辟新的视野,也拓宽AIBs正极的材料类型。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/anie.202114681

 
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