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西安交大王嘉楠/延卫&东华大学廖耀祖&萨里大学杨凯综述:高性能锂气体电池气体电极静电纺丝工程
2024/7/5 14:56:48 易丝帮

全球经济发展对自然资源的快速消耗引起了人们对能源短缺和环境恶化的广泛关注。目前,大量的研究致力于探索清洁能源解决方案,以促进社会的可持续发展。近年来,以锂金属为负极,以各种气源(如O2、CO2、SO2等)为反应物的锂气体电池(LGBs)因其极高的能量密度和潜在的多用途增值化学处理能力而备受关注。然而,与传统LIBs中的插层反应相比,LGBs中的气-液-固三界面反应要复杂得多,这导致其实际应用仍未达到最初的高性能期望。虽然锂金属腐蚀、电解质稳定性和隔膜堵塞等多种因素会影响LGBs的整体性能,但气体电极(指调节气态反应物还原的正极)的设计和优化在提高整体性能方面发挥着关键作用。静电纺丝是一种具有成本效益的技术,能够以较低的能量和材料消耗可控生产大规模和高质量的纳米纤维材料。这些纳米纤维(NFs)的相互连接的多孔结构促进了反应物气体的有效扩散,使它们能够迅速运输到活性部位,促进快速有效的气体转化,是理想自支撑气体电极的潜在后选之一。


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近日,西安交大王嘉楠/延卫&东华大学廖耀祖&萨里大学杨凯团队在期刊《Carbon Energy》上,发表了最新综述“Electrospinning engineering of gas electrodes for high-performance lithium–gas batteries”。该成果的共同第一作者为西安交通大学硕士王镜朝和博士陈信。西安交大王嘉楠副教授,东华大学廖耀祖教授和萨里大学杨凯讲师为通讯作者。研究者通过探究了静电纺丝技术在锂气体电池中的应用前景。主要阐明了锂气体电池的工作原理和应用缺陷,并基于此提出了理想的气体电极的关键特性以指导电极的设计。随后,综述了静电纺丝技术在电极设计方面的研究进展,提出了以静电纺丝碳纤维作为气体电极的系统设计原则,这些设计原则包括正极结构优化、催化剂处理和活化、催化位点优化以及大规模实施的考虑。此工作所讨论的电极设计原理及优化策略有望在未来气体电池电极设计中得到广泛应用。

 

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图1. 锂气体电池的发展历史和重要节点

 

Li-Gas电池(LGB)主要通过气体电极上气态反应物的转化来发电。图1总结了锂气体电池发展历史中的重要节点。早期的LGB研究可以追溯到20世纪60年代,随着Li-SO2电池的发展随后,对LGB系统进行了广泛的研究。20世纪90年代,LGB的相关理论被提出并不断得到验证。在这一时期,锂氧电池(LOB)取得了重大发展。随着2010年代LGB理论的不断完善,研究人员开始对电池系统设计进行优化,追求新系统(如Li-CO2电池、Li-N2电池)中气体电池的高稳定性和高容量。近年来,研究人员开始设计和组装气体电极,更多地考虑到LGB在袋状电池或圆柱形电池中的实际用途。LGB的发展对未来的碳中和社会具有重要意义,并有可能帮助航空航天探索工业。


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图2. LGBs发展的主要研究瓶颈


目前,LGB的实际应用仍然面临着巨大的挑战(图2),包括缓慢的气体转换动力学,电解质稳定性,锂枝晶的形成以及复杂的三相界面反应。这些挑战推动了LGBs气体正极设计原则的研究。


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图3. 理想气体电极的理想特性示意图


虽然LGB的电化学性能可能受到多种组分的影响,但反应动力学主要受气体电极内催化剂的控制。因此,气体电极的设计具有至关重要的意义。为此,作者提出了理想气体电池所用电极的设计原则(图3)。该图展示了理想气体电极所需具备的特性:分层多孔结构,快速传质(电解质,气体以及电子传输),机械强度,高效的催化位点。


在各种气体电极制备技术中,静电纺丝作为一种具有成本效益、可扩展和可控制的技术,已经引起了人们的广泛关注。通常情况下,电纺纳米纤维(NFs)提供适合催化剂和反应产物调节的高比表面积。此外,当与其他材料加工技术(如水热、喷涂等)相结合时,可以有效地实现催化剂在这些不同纳米纤维结构上的负载。静电纺丝技术的显著进步导致了具有定制结构和组成特征的定制静电纺丝纳米纤维的发展,这些纳米纤维已成功地应用于LGB的气体电极。


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图4. 静电纺丝技术的基本工作原理及影响因素


图4展示了静电纺丝技术的一般装置,工作原理以及影响参数。静电纺丝设备的主要部件包括高压电源、注射器、喷丝器(通常是一个钝头金属针)和接地集电极(如移动板、旋转滚筒等)。


为了与气体电极的理想结构属性保持一致,具有核壳、中空、多通道或多孔结构的电纺丝NFs具有提高LGB性能的巨大潜力。例如,与商用碳纸或碳布相比,这些NFs可以大大减小直径,从而最大限度地减少气体电极中的非活性成分。这些NFs还可以建立分层孔隙和复杂的互连,以促进物质扩散和储存,显著提高活性位点的利用率。此外,它们允许功能化界面调节界面催化过程,最终提高LGB的反应速率和整体性能。


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图5. 不同结构的静电纺NFs示意图


图5展示了符合气体电极特性的理想NFs结构,从机械强度,比表面积,制备难度,可设计性,物质传递等五个方面评估了不同结构NFs应用于LGBs正极的潜力。

鉴于前面提到的电纺丝纳米纤维的优点,它们作为理想的气体电极支撑材料显示出了巨大的潜力。在后面的章节,作者详细概述了电纺NFs在LGB中的成功应用,包括典型的气体电极组成和电化学性能。


最后,作者也做了详细的总结和对未来的展望。气体电极的设计是实现LGBs实用化的关键。理想情况下,气体电极应具有以下特性:(i)高导电性,(ii)优异的催化活性,(iii)分层多孔结构,(iv)优异的机械和化学稳定性。NFs由于其独特的特性而成为LGBs气体电极的有希望的候选者。它们巨大的比表面积为催化位点和反应产物提供了充足的空间。此外,它们可调谐的分层三维多孔网络减轻了传质阻力,从而促进了气体转化。而静电纺丝技术是一种高效、经济、可扩展的生产纳米纤维的方法。通过控制前驱体、静电纺丝装置和参数,并采用后处理工艺,可以系统地设计和制造各种结构以及负载活性组分。


此外,为推动电纺纳米纤维在LGB体系中的进一步广泛应用,可以从以下几个方面进行研究。


1.合理的孔隙结构设计与深度表征技术;

2.自支撑正极构建(提升纤维机械强度方法);

3.静电纺丝纤维的功能化—探索有效和经济的催化剂负载方法;

4.更实际条件下的电池评估(更大的电流密度、更宽的工作温度、更少的锂金属、合适的电解质等);

5.商业生产(高效,大规模生产,环保等)。

 

论文链接:

https://doi.org/10.1002/cey2.572 

 

研究亮点:

1.总结了理想气体电极所需具备的物理化学特性,深入分析了结构特性-电化学性能之间的相互关系以及阐述了催化剂和支撑电极结构工程的常用优化策略。

2.除了简要介绍静电纺丝技术(包括关键原理、操作参数、后处理和LGBs的首选静电纺丝结构)之外,我们的重点扩展到气体电极的系统设计的全面探索,包括最佳结构制造、催化剂负载和改性、催化位点优化以及大规模实施的考虑。

3.深入剖析了电纺纳米纤维在LGBs体系中的进一步应用方面面临的挑战,拓宽人们对开发更好的LGBs和其他基于催化剂的能源系统(如锂硫电池、电催化、燃料电池和光电化学)的认识和见解。

 

课题组简介:

萨里大学高新技术研究院(Advanced Technology Institute)电化学表征与传感课题组(Electrochemical Characterization and Sensing Group)致力于能源材料和器件、电化学芯片和传感器等研究领域。课题组目前的研究方向主要包括:

(1)集成式电化学表征以及高通量材料研发平台设计;

(2)基于催化剂的储能电池体系设计;

(3)电化学环境监测传感器,植入式电池检测传感器;

(4)微型固态电池。

有上述研究背景,有申请博士意向的同学,欢迎联系kai.yang@surrey.ac.uk。

 

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