成果简介

随着全球能源危机日益加剧,人们对可再生清洁能源的需求越来越迫切。海水作为一种廉价、环保且储量丰富的电解液,被视为是一种极具应用前景的可持续电池电解液。然而,由于缺乏适合的阳极材料,目前海水电池仍以一次电池为主,难以实现循环利用。为解决上述问题,海南大学丁伟文教授及其团队通过晶格优化的方法,打破了锐钛矿TiO2作为负极材料在海水中几乎不活跃的局面,实现了高容量储钠、储锂、储镁、储钙的可逆多离子存储,构筑出一种全新的可充电海水电池。该研究成果已发表于顶尖期刊《先进材料》(Advanced Materials)。

研究亮点

1.通过诱导2.4%的晶格膨胀,使本征上不活跃的锐钛矿TiO2在海水中达到惊人的100倍以上的高容量。

2.基于第一性原理计算和多种实验表征,系统解释了晶格膨胀促进离子扩散动力学的内在机制。

3.展示了一种前所未有的全新设计充电海水电池,该电池直接使用天然海水作为电解液,安全环保且成本低廉。

4.该充电海水电池在性能方面优于已报道的大多数海水及其他类型的水系电池。

图1描绘了海水电池的潜在应用前景以及传统/本工作的海水电池结构原理图。图1a直观展示了将来海水电池可以广泛用于海洋装置的供电;图1b是之前报道的半海水电池设计,需要采用隔膜将非水和海水电解液相隔离;图1c展示了本工作中晶格膨胀后的TiO2材料可实现钠、镁、钙等多种离子的可逆存储;图1d描绘了该团队提出的新型全海水充电电池结构。

图2解析:图2给出了扩晶TiO2阳极材料的系列表征结果。图2a-d显示基于纳米线阵列结构的扩晶TiO2(E-TiO2)形貌、元素分布及结构;图2e-h通过XRD、拉曼、XAFS等手段确定了其晶格参数发生了2.4%的扩张;图2i-l利用理论计算解释了扩晶诱导的界面稳定性提高是晶格扩张的根源。

图3解析:图3呈现了扩晶TiO2阳极材料在水系钠离子电池中的优异电化学性能。图3a-c分别为循环伏安曲线、恒流充放电曲线、比容量对比图,显示扩晶TiO2具有175mAh/g的超高比容量,是常规TiO2的202倍;图3e对比了扩晶TiO2样品与报道的其他优异TiO2负极的比容量;图3f-i通过电化学阻抗谱、b值和容量分离等分析了其优异的快速离子扩散动力学和赝电容行为。

图4解析:图4集中探讨了扩晶TiO2样品在海水中的钠离子储存行为和机理。图4a为XPS谱,证实充钠后出现了Ti3+和Ti2+价态;图4b为不同电位下的ex situ XRD谱,表明在充放电过程中无明显相变发生;图4c为in situ拉曼谱,也佐证了固态反应过程;最后图4d利用第一性原理计算对比了常规和扩晶TiO2中钠离子的扩散能垒差异。

图5解析:图5展示了扩晶TiO2阳极材料在其他水系电解液(镁、钙等)和天然海水中的出色电化学性能,以及搭配空气正极构建的全海水电池器件。图5a为计算钙离子在扩晶TiO2中扩散能垒下降的示意图;图5b-c分别为CV和GCD曲线,证明了在Na+、Mg2+、Ca2+溶液中均有优异比容量;图5d对比了天然海水电解液中的比容量数据;5e为组装的全海水电池的能量密度&功率密度Ragone图;5f为海水电池应用实景照片。

展望

该研究开辟了一种全新的晶格优化策略,让常规的电池材料在海水电解液中实现前所未有的高容量、高效率存储。通过一系列先进表征手段和理论计算,深入阐明了晶格膨胀显著促进离子扩散动力学的内在机制。基于此,研究团队构筑了一种全新的充电海水电池系统,在安全性、成本和环保方面具有明显优势。

文献信息

https://doi.org/10.1002/adma.202312343

Adv. Mater. 2024, 2312343