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許康等人JACS.：SEI實(shí)現(xiàn)可切換、可愈合的離子門控！

來源：時(shí)間：2023-08-07 10:27:02 瀏覽：2106次

第一作者：Lei Tao

通訊作者：許康教授、熊輝教授、Peng Bai、林鋒

通訊單位：美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)博伊西州立大學(xué)、圣路易斯華盛頓大學(xué)、美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)

DOI: 10.1021/jacs.3c03429

研究背景

可再充電電池中的固體電解質(zhì)間相（SEIs）超過電解質(zhì)的熱力學(xué)穩(wěn)定性極限，同時(shí)允許工作離子的傳輸，保證在極電位下的電極反應(yīng)不可逆。這種選擇性離子轉(zhuǎn)運(yùn)自然發(fā)生在生物細(xì)胞膜中，是許多生物過程的普遍前提和生物多樣性的基礎(chǔ)。此外，電池膜可對(duì)外界刺激選擇性地打開和關(guān)閉離子通道，從而產(chǎn)生“幫助管理電池內(nèi)反應(yīng)的門控”機(jī)制。存在一個(gè)問題：SEIs的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)是否可以模擬電池膜，是否可能用SEI實(shí)現(xiàn)可切換的離子門控？即SEIs能否實(shí)現(xiàn)電池的電容器離子插入化學(xué)和離子插入化學(xué)兩種電化學(xué)行為之間的可逆切換？基于此，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室許康教授等人報(bào)道了一種導(dǎo)致熱激活選擇性離子傳輸?shù)奶厥馇闆r。這種門控開關(guān)功能受到SEIs的化學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的控制，具有精確的行為作為導(dǎo)電和絕緣間相，使電池和電容過程在有限的溫度窗口。

文章要點(diǎn)

1、作者發(fā)現(xiàn)了SEI的一個(gè)迄今為止未知的方面，它作為一個(gè)熱激活的傳輸門控，它可以在插入電池（門打開）和雙層電容器（門關(guān)閉）之間切換工作離子的電化學(xué)行為。熱開關(guān)過程中富NaF的SEI層的動(dòng)態(tài)演化是實(shí)現(xiàn)這種離子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。此外，升高的溫度也提供了熱能來克服離子輸運(yùn)能壘。氟化添加劑和含氟鹽的還原電位決定著SEI的無機(jī)內(nèi)層的化學(xué)和結(jié)構(gòu)，決定了離子門控的形成和功能。因此，NaF在操作條件下的溶解和再生動(dòng)力學(xué)決定了離子門控開關(guān)的可操作性和可逆性。

2、作者報(bào)告了一種用SEI實(shí)現(xiàn)可切換的離子門控，這種門控開關(guān)功能受到SEIs的化學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的控制，具有精確的行為作為導(dǎo)電和絕緣間相，使電池和電容過程在有限的溫度窗口。離子門控表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗中斷彈性，即使在損傷后也可以愈合。

3、該工作有助于未來的電池化學(xué)反應(yīng)設(shè)計(jì)更好的間相。目前未知的離子門控現(xiàn)象的機(jī)制，使得能夠精確地定制所需的SEIs，并在電池環(huán)境中修復(fù)損壞的SEIs。

圖文展示

圖1.電池中的離子傳輸

圖2. SEI表征

圖3.可逆的熱門控離子傳輸

圖4. SEI溶解和再生

圖5.鈉離子電池中離子傳輸?shù)?/span>SEI特性響應(yīng)總結(jié)

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