Wie man bessere wiederaufladbare Aluminiumbatterien entwickelt

„Wiederaufladbare Aluminiumbatterien (RABs) nach sich ziehen ein großes Potenzial qua leistungsstarke Kandidaten zu Händen große Energiespeichergeräte“, sagte jener korrespondierende Skribent Chuan Wu, Professor an jener School of Materials Science and Engineering am Hauptstadt von China Institute of Technology. „Die hohe theoretische Kondensator, die reichlich vorhandenen Reserven und die hohe Sicherheit werden den RABs helfen, Verwendung und Vermarktung zu klappen.“

Professor Wu erklärte, dass aufgrund jener Mehrelektronenreaktion von Al (theoretischer Drei-Elektronen-Transfer) die direkte Entgegennahme jener Al-Positive Elektrode zu voll wettbewerbsfähigen gravimetrischen und volumetrischen Kapazitäten (2980 mAh g-1 und 8046 mAh cm-3) zur Folge haben könnte bezogen hinaus Al) sowie geeignetem Redoxpotential (-1,66 Vanadium gegen Standardwasserstoff zu Händen Al3+/Al). Aufgrund jener grundlegenden Eigenschaften eines kleinen Radius (54 pm) und einer hohen Ladung (+3) zeigen Al3+-Ionen jedoch eine extrem langsame Migrationsaktivität und eine starke elektrostatische Macht, um die Kristallstruktur zu ruinieren, wenn sie migrieren.

Jene intrinsischen Eigenschaften zur Folge haben zu niedriger Leerlaufspannung, Kapazitätsschwund und unbefriedigender Zyklenleistung, welches die Verwendung von RABs gehandicapt. Darüber hinaus sind Nebenreaktionen von Elektrolyt und Al-Anodenkorrosion ebenfalls dringende Probleme, die Forscher trennen zu tun sein, um eine hervorragende Leistung von RABs zu erzielen. Deshalb ist es entscheidend, den Reaktionsmechanismus zu verstehen und die Kathodenmaterialien im Sinne zu gestalten.

Zweidimensionale (2D) Materialien zogen die Präsent jener Forscher hinaus sich aufgrund abstimmbarer elektronischer Zustände, Ionenaufnahmefähigkeit und bestimmter besonderer Eigenschaften, beispielhaft dargestellt durch Graphen, MoS2, Phospholen, Silicen usw. Um die geeigneten Kathodenmaterialien zu erkunden, zahlten Wu und sein Team Präsent hinaus dasjenige 2015 erstmals synthetisierte Borophen.

In Übereinstimmung mit den Berichten in jener Batterieanwendung sind die Reaktionsspannungen (0,15 solange bis 0,96 Vanadium gegen Lithium-, Na-, Mg-, Kalium- und Calcium-Metalle) weitestgehend qua Anodenmaterialien probat, und die Diffusionsenergiebarrieren von Ladungsträgern sind tief (325 meV zu Händen Lithium, 3 meV zu Händen Na, 28 meV zu Händen Mg, 440 meV zu Händen Calcium und 4 meV zu Händen Kalium). Von dort impliziert dies die überlegenen elektrochemischen Leistungen von Borophen, dasjenige ein potenzielles Elektrodenmaterial zu Händen Aluminiumbatterien sein kann, dasjenige insbesondere durch Diffusionskinetik geplagt wird.

Um die spezifischen Al-Ionen-Hosting-Eigenschaften von Borophen zu verstehen, nach sich ziehen Wu und sein Team die Kristallstruktur, die elektronische Struktur, die Gleichgewichtsspannung und die Ionendiffusionskinetik qua Elektrodenmaterial zu Händen RABs untersucht. „Im Spannungsfeld zu einer traditionellen Erkenntnis hat die Elektrolytumgebung in RABs tatsächlich verknüpfen tiefgreifenden Macht hinaus dasjenige theoretische Redoxpotential, da jener Al-Anion-Menge von Gebäuden qua Träger fungieren kann und von dort die Reaktionsänderung auftritt.

Typischerweise können in Ionenflüssigkeitselektrolyten oder Ionenflüssigkeitsanaloga (die beste Vorkaufsrecht zu Händen Al-Positive Elektrode aufgrund jener Kompatibilität und hohen Abscheidungs-/Auflösungseffizienz) mit Ausnahmefall von Al3+ die anionischen Spezies AlCl4- und Al2Cl7- und die kationischen Spezies AlCl2+ und AlCl2+ vorhanden sein Form des Al-Komplexes“, sagte Wu. „Von dort wäre es unumgänglich, die elektrochemische Leistung von Borophen unter Berücksichtigung jener Wirkung von AlCln-Komplexionen zu bedenken und den bevorzugten Reaktionsmechanismus zu verstehen.“

Es wird festgestellt, dass „nachher dem Vergleich jener Anreicherung von Gasen und Dämpfen von Cl-, Lithium+- und Al3+-Ionen die Elektronentransferreaktion durch die starke Coulomb-Wechselwirkung im Prozess jener Al3+-Anreicherung von Gasen und Dämpfen gehandicapt wird. Welcher Ursprung liegt im stabilen 3s-Orbital und jener großen Lücke zwischen 3s und Fermi-Niveau, um den weiteren Elektronentransfer von Al zu zensieren.“ sagte Wu. „Die einsamen Elektronenpaare des 3s-Orbitals stoßen dasjenige elektronengewinnende Borophen ab.“

„Wenn wir AlCl4-, AlCl2+ und AlCl2+-Ionen qua Träger in RABs wissenschaftlich berücksichtigen, stellen wir verkrampft, dass aufgrund jener Koordination von Cl an Al jener Mehrelektronentransfer im Sinne entsperrt ist: Welcher Distanz zwischen 3s- und Fermi-Niveau verringert sich nachher jener Orbitalhybridisierung , und jener Elektronenübergang im 3s-Orbital tritt zu Händen AlCln leichtgewichtig hinaus. sagte Wu. „Die Koordination mit Cl (qua AlCln) verringert die Lücke zwischen dem Al 3s-Orbital und dem Fermi-Niveau, um den Elektronentransfer zu unterstützen.“

„Die hohen Kapazitäten von 490 mAh/g ([AlCl2]0,17 B) und 841 mAh/g ([AlCl]0,33 B) werden in jener DFT-Studie mit den durchschnittlichen Spannungen von 2,037 Vanadium ([AlCl2]0,17 B) und 1,018 Vanadium ([AlCl]0,33B) gegen Al. Und die AlCln-Diffusionen hinaus dem Borophen betragen 0,46 eV zu Händen AlCl4, 0,20 eV zu Händen AlCl2 bzw. 0,08 eV zu Händen AlCl“, sagte Wu. „Die schnelle Kinetik jener Streuung, die hohe Speicherkapazität und die Tonus weisen hinaus eine überlegene elektrochemische Leistung von Borophen hin in RABs.“

Jene Arbeit zeigt eine notfalls universelle Rolle jener Cl-Koordination unter jener Erfüllung von Mehrelektronenreaktionen hinaus und beleuchtet die komplizierte Mehrträger-(AlCln)-Redoxbedingung von RABs. Wu sagte, solche Schlussfolgerungen können die Leistung von Borophen qua Elektrodenmaterial vorhersagen und verknüpfen wichtigen Gesichtspunkt zu Händen den Multicarrier im Kernpunkt von RABs liefern.

„Obwohl große Fortschritte erzielt wurden, steht die Fortentwicklung von Al-Kathoden zu Händen RABs immer noch vor massiven Herausforderungen, wie z. B. jener langsamen Ionendynamik von Al3+ und dem komplexen Reaktionsmechanismus von Al und AlCln.“ sagte Wu.

„In jener praktischen Verwendung benötigen RABs mehr Präsent, um die Nebenreaktion zu verringern, die Al-Anodenkorrosion zu verzögern und neue Kathodenmaterialien zu erkunden. Wenn die neuen Materialien, insbesondere aluminiumhaltige Kathodenmaterialien, eine hohe Energiedichte und Menorrhagie Nutzungsdauer klappen könnten, werden RABs dies tun zu einem integralen Element jener elektrochemischen Energiespeicherung werden. Mit einem Wort, um die Vermarktung von RABs zu klappen, ist mehr Präsent erforderlich, um praktischere Probleme zu trennen.“

Forschungsbericht: Mehrelektronenreaktion von AlCln in Borophen zu Händen wiederaufladbare Aluminiumbatterien

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