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Angew. Chem. :一种晶格匹配策略实现高度可逆的水系铜金属负极

金属因其电极电势高(0.34 V vs.标准氢电极(SHE))、理论比容量高(844 mAh g-1和7558 mAh cm-3)和自然丰度大等特性,可作为水系电池负极材料。得益于高的电极电势,铜负极在水系电解液中几乎没有副反应,而且与锌负极相比,铜负极表现出更均匀致密的电沉积形貌。通常情况下,铜箔被直接用作水系电池负极,在重复沉积/剥离过程中往往发生结构坍塌,导致电池循环寿命不理想。为解决这一问题,常用碳材料作铜负极集流体,但由于铜金属与碳基底差的晶格匹配度,导致铜负极在碳基底上沉积的库伦效率比较低,此外,沉积的铜金属呈现块状的粗糙形貌,不利于实现高体积能量密度和电池的长期稳定运行。因此,探索可作为高性能铜负极的导电基底具有重要意义。

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近日,南开大学牛志强研究员与天津理工大学刘丽丽副教授合作,提出了一种晶格匹配策略,以实现高度可逆的铜金属负极。与铂、金、钛以及碳布等常见的导电基底相比,镍基底与铜金属的晶格匹配度高,电沉积过程中铜原子与镍原子更容易连接形成共格界面,使得铜原子沿着基底表层原子生长。此外,通过计算,铜原子在镍基底上具有较低的吸附能和扩散势垒。因此,基于金属镍基底的铜负极表现出高库伦效率(99.4%)、低成核过电位和均匀致密的电沉积形貌。为进一步探究镍基底支撑铜负极的实用性,匹配二氧化铅正极的全电池表现出高的工作电压(1.27 V)和稳定的循环寿命。此工作为开发高性能水系可充电铜金属电池提供了思路。

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文信息

A Lattice-Matching Strategy for Highly Reversible Copper-Metal Anodes in Aqueous Batteries

Haixia Cai,Songshan Bi,Rui Wang,Prof. Lili Liu,Prof. Zhiqiang Niu


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202205472




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