作者:魏迪等 来源:《自然-能源》 发布时间:2024/1/8 17:10:23
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超高功率垂直结构离子电子学储能器件

 

海洋蓝色能源——盐差能是一种绿色无污染可再生能源。近些年,盐差能转换发电取得了一系列进展,但如何将其实用化并应用于便携式电子器件仍然是一个挑战。近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所魏迪教授与王中林院士团队通过实验和分子动力学(MD)模拟仿真,优化碱金属离子在二维纳米流体通道中的传输,以及定制设计的电极界面限域氧化还原反应,并使用医疗器械级超声喷涂设备将盐差能存储在亚微米级的聚合物薄膜侧壁边缘,实现了盐差能在便携式电子器件领域的实用化应用。该垂直结构离子电子学储能器件的输出功率密度达到了超高的15,900 W m-2,其体能量密度(9.46 Wh cm-3)高于锂薄膜电池(10-3~10-2 Wh cm-3)两个数量级,与松下锂离子电池(10-1~1 Wh cm-3)相当,其体功率密度(106.33 W cm-3)也达到了碳基纳米材料超级电容器(10~102 W cm-3)的水准。该工作报道的垂直结构离子电子学存储器件提出了一种基于渗透效应的离子电子学储能方法,为开发可再生、超薄、安全能源提供了一个范式。2024年1月5日,该成果以“Vertical iontronic energy storage based on osmotic effects and electrode redox reactions”为题发表在Nature Energy期刊上。

蓝色海洋能源是一种蓝色可再生能源。盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能,是以化学能形态出现的海洋能。反向电渗析(RED)是一种可以将盐差能转换成电能的技术,其研究的核心是离子选择膜,方向是提升膜的离子选择性和降低膜阻。然而,受限于离子选择膜的高膜阻和低效的传质过程,盐差能转换器件的功率很低。采用氮化硼和二硫化钼等材料可以使盐差能转换器件的单孔功率密度提升很多,但扩展到多孔膜时,由于孔-孔之间的强相互作用和离子浓差极化的增加,功率密度又会遭遇断崖式下跌。生物细胞膜中的埃级离子通道可以超快地传输离子,研究人员由此开发了同样维度的仿生人工离子通道,氧化石墨烯(GO)是一种典型的二维纳米流体材料。由于二维纳米流体离子通道的纳米空间限域效应,离子可以在二维纳米流体通道中进行高效超快地传输,并由此造就了离子电子学的兴起,为盐差能的实用化并应用于便携式电子器件提供了契机。

摘要附图

图1:垂直结构离子电子学储能器件。a,器件垂直结构和锂离子在二维纳米流体通道中传输的示意图。b,器件截面的伪色SEM图:GO层(黄色)、LrGO+LiI层(黑色)、PET层(蓝色)、银电极层(紫色)、Kapton胶带层(红色)、GO+AgNO3层(粉色)。c,GO层(截面)的SEM图。d,器件以100 μA的恒流放电性能(25℃ RH 80%),插图是器件的显微光学图片(截面)。e,器件在10 mv s-1扫速下的I-V特征图(25℃ RH 80%)。f,器件以电子负载电阻为参数的输出功率图,器件的输出功率在电子负载电阻835 Ω左右达到峰值15,900 W m-2

图2:碱金属盐平面离子电子学储能器件的离子传输性能表征。a,碱金属盐器件的结构示意图。b,不同碱金属盐器件在10 mv s-1扫速下的I-V特征图(25℃ RH 80%)。c,GO纳米流体通道及其尺寸的示意图。d,建模模拟脱水状态的裸碱金属离子在亚纳米孔中的传输特性(σ = 0.06 C m-2,Vov = 0.4 V,RH = 80%,L= 5 Å)。

图3:碘化锂平面离子电子学储能器件的工作机理。a,器件正极GO侧放电前后的拉曼图谱。b,器件正极GO侧放电前后的XRD图谱表明器件放电后GO的层间距由7.7 Å增加至8.8 Å。c,ICP-OES测试的器件正极GO侧放电前后的锂元素含量表明器件放电过程中锂离子由负极LrGO侧迁移到正极GO侧,插图是GO侧放电前锂元素含量的放大图。误差棒是3次测量的标准偏差。数据点(红、蓝、绿)代表相应的原始数据点。d,e,器件放电前(d)后(e)正极侧AgNO3/GO边界的显微光学图片(25℃ RH 80%)。f,g,器件放电前(d)后(e)负极侧Ag electrode/LrGO+LiI边界的显微光学图片(25℃ RH 80%)。h,器件放电前后负极侧XRD特征图表明器件放电后负极有AgI生成。

图4:垂直结构离子电子学储能器件的特征。a,器件结构示意图。b,器件以电子负载电阻为参数的体功率密度图。c,器件在北京地区大气环境下(23-23.6℃, RH 12.1-20%)的开路电压性能。d,器件的串联电压输出性能(25 °C RH 80%)。

该论文通过实验和分子动力学(MD)模拟仿真,优化碱金属离子在二维纳米流体通道中的传输,以及定制设计的电极界面限域氧化还原反应,并使用医疗器械级超声喷涂设备将盐差能存储在亚微米级的聚合物侧壁边缘,实现了盐差能在便携式电子器件领域的实用化应用。该垂直结构离子电子学储能器件的输出功率密度达到了超高的15,900 W m-2,其体能量密度(9.46 Wh cm-3)高于锂薄膜电池(10-3~10-2 Wh cm-3)两个数量级,与松下锂离子电池(10-1~1 Wh cm-3)相当,其功率密度(106.33 W cm-3)也达到了碳基纳米材料超级电容器(10~102 W cm-3)的水准。电极动力学研究表明该器件具备赝电容电极电荷动力学特征(b值0.59,截至频率700 Hz)。较高的离子传输动力学特征使其具备良好的功率输出特性。为了评估器件的实用性,该论文还测试了器件的串联输出性能,其串联输出电压随串联单元的数量进行线性递增,展现了其优异的扩展性能,而且能够直接驱动商用LCD液晶屏。不同于传统的盐差能转换器件,该工作报道的垂直结构离子电子学存储器件提出了一种基于渗透效应的离子电子学储能方法,为开发可再生、超薄、安全能源提供了一个范式。

该工作是魏迪教授与王中林院士团队近期关于离子电子学研究的最新进展之一,其将纳米材料限域结构与化学过程相结合,研究离子超流量子效应行为的调控,为新能源和类脑计算等前沿领域提供了全新研究范式。与硅基电子器件(Electronics)不同,以离子为信号载体的离子电子学(Iontronics)是研究纳米尺度下离子传导量子效应的交叉学科。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41560-023-01431-4

 
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