石墨烯负载的氧配位钴单原子稳定金属锂负极

来源 :物理化学学报 | 被引量 : 0次 | 上传用户:duancj1972
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
锂金属具有超高的理论容量(3860 mAh·g-1)、低氧化还原电位(-3.04 V)被认为是最具前途的负极材料之一.然而,锂枝晶生长、以及“死锂”等问题阻碍了其实际应用.发展亲锂载体来调控锂成核行为是抑制锂枝的有效方法.本工作中我们采用石墨烯负载的氧配位钴单原子(Co-O-G SA)作为锂沉积载体,调节锂的成核和生长行为.Co-O-G SA具有均匀的亲锂位点、高电导率、以及高表面积(519m2·g-1),可显著降低锂沉积过程中局部电流密度,提高锂在循环过程中的可逆性.因此,基于Co-O-GSA锂负极在电流密度为1 mA·cm-2,沉积容量1 mAh·cm-2时具有99.9%的库伦效率和优异的倍率性能,在8 mA·cm-2高电流密度下寿命达到1300 h.在对称电池中,Co-O-G SA锂负极(Co-O-G SA/Li)在1 mA·cm-2的电流密度下,电压稳定在18mV,寿命达到780h.当匹配硫正极,获得全电池在0.5C(1C=1675mA·g-1)的条件下,具有1002mAh·g-1的比容量,1000次循环过程中仅有0.036%的容量衰减率.本工作为通过调控单原子的配位环境来实现无枝晶锂负极提供了重要的见解.“,”Lithium(Li)-based batteries are the dominant energy source for consumer electronics,grid storage,and electrified transportation.However,the development of batteries based on graphite anodes is hindered by their limited energy density.With its ultrahigh theoretical capacity(3860 mAh·g-1),low redox potential(-3.04 V),and satisfactorily low density(0.54 g·cm-3),Li metal is the most promising anode for next-generation high-energy-density batteries.Unfortunately,the limited cycling life and safety issues raised by dendrite growth,unstable solid electrolyte interphase,and“dead Li”have inhibited their practical use.An effective strategy is to develop a suitable lithiophilic matrix for regulating initial Li nucleation behavior and controlling subsequent Li growth.Herein,single-atom cobalt coordinated to oxygen sites on graphene(Co-O-G SA)is demonstrated as a Li plating substrate to efficiently regulate Li metal nucleation and growth.Owing to its dense and more uniform lithiophilic sites than single-atom cobalt coordinated to nitrogen sites on graphene(Co-N-G SA),high electronic conductivity,and high specific surface area(519 m2.g-1),Co-O-G SA could significantly reduce the local current density and promote the reversibility of Li plating and stripping.As a result,the Co-O-G SA based Li anodes exhibited a high Coulombic efficiency of 99.9%at a current density of 1 mA·cm-2 with a capacity of 1 mAh·cm-2,and excellent rate capability(high current density of 8 mA·cm-2).Even at a high plating capacity of 6 mAh·cm-2,the Co-O-G SA electrode could stably cycle for an ultralong lifespan of 1300 h.In the symmetric battery,the Co-O-G SA based Li anode(Co-O-G SA/Li)possessed a stable voltage profile of 18 mV for 780 h at 1 mA·cm-2,and even at a high current density of 3 mA·cm-2,its overpotential maintained a small hysteresis of approximately 24 mV for>550 h.Density functional theory calculations showed that the surface of Co-O-G SA had a stronger interaction with Li atoms with a larger binding energy,-3.1 eV,than that of Co-N-G SA(-2.5 eV),leading to a uniform distribution of metallic Li on the Co-O-G SA surface.More importantly,when matched with a sulfur cathode,the resulting Co-O-G SA/lithium sulfur full batteries exhibited a high capacity of 1002 mAh·g-1,improved kinetics with a small polarization of 191 mV,and an ultralow capacity decay rate of 0.036% per cycle for 1000 cycles at 0.5C(1C=1675 Ma·g-1)with a steady Coulombic efficiency of nearly 100%.Therefore,this work provides novel insights into the coordination environment of single atoms for the chemistry of Li metal anodes for high-energy-density batteries.
其他文献
在中国北方地区,自然地貌多为风积沙土质,公路路基填筑材料的选配本着就地取材和调运平衡的原则,当地风积沙土质作为主要路基填筑材料的来源.常规风积沙填筑压实需大量水源,但内蒙古赤峰地区钻井取水困难,且钻井成本较大,增加施工成本.本文根据自身经验,浅析了风积沙路基施工技术并进行分析.
长宁区块龙马溪组为页岩层且为主要气层,地层压力系数较高;φ215.9mm井眼裸眼段较长,钻井时间长,保持井壁稳定尤为重要.在长宁区块完成的H12、H3平台10口井,龙马溪井段均采用油基钻井液完成.在实际使用中,油基钻井液乳化稳定,流变性能良好,封堵性效果好.但油基钻井液产生的油基岩屑、报废钻井液难以做无害化处理,环保压力巨大.因此,川庆钻井液公司开发了适用于页岩气水平井的高性能水基钻井液,已在长宁页岩气现场应用多井次,取得规模化推广效果,正逐步取代油基钻井液.在长宁页岩气钻探过程中,还使用了旋转导向钻井技
石油资源在我国的资源中占据着十分重要的地位,而采油技术在石油工程中属于关键部分.随着社会的迅速发展,我国对于石油的需求快速增长,但与此同时石油的开采环境也变得越来越困难,因此,开发新型采油技术并进行应用,从而提高石油工程开采石油的效率目前已经迫在眉睫.本文首先分析了采油技术在石油工程中的重要性,提出了我国目前石油工程中存在的一些问题,并总结了一些新型采油技术,希望能够对开发新型采油技术,提高采油效率提供一定的参考,促进石油的开采和利用.
乙醇是具有比较广泛用途的化学品和清洁燃料添加组分,随着最近几年国家对于乙醇需求量的逐渐上涨,逐渐变为了合成气绿色化与高价值化转化的一个主要方向.本文首先介绍了合成气制备乙醇的优势,研究了合成气制乙醇工艺技术,展望了合成气制乙醇工艺技术的产业化应用,以供参考.
石油作为人类文明发展的重要能源之一,已经成为一个国家发展科技的经济命脉,在我国的石油开采工作中,大多数油田含有较多的油层,而油层之间也存在较大的差异,尤其是在物理性质方面,导致不同油层的产油能力和开采方式需要有所不同.目前,油井多层分采工艺技术已经被得到了广泛的应用,而要想进一步提升油田的生产效率,就必须要对这一技术进行深入的研究,了解其如何在实际的油井中得以应用.
由于不同晶体形态的金刚石具有不一样的特性,决定了应用方向也会不同,因此有必要对影响金刚石晶体形态的因素进行研究.本文从金刚石晶体的理论结晶形态出发,分析了各种外界因素如温度、触媒、添加剂、晶种等对金刚石晶体形态的影响,通过对这些因素的合理控制与利用能够进行宝石级金刚石晶体的限形生长.
常规石油天然气资源的储备日趋减少,各大能源企业开始将页岩气能源的开发提上了日程.尽管页岩气有着较大的开发潜力,但开采技术上的难点制约了其发展.本文将介绍页岩气钻井的关键技术,探讨页岩气钻井技术的难点,并针对性地提出相应对策.
石油资源无论是从应用需求还是资源的珍贵性上来讲,都达到了较高的程度.石油勘探工作是进一步完成好石油的开采和利用环节任务的重要条件.石油勘探中的安全管理制度建设对于保障勘探工作本身的执行落实安全性以及提升石油勘探工作开展的精准性都具有非常重要的意义.要想建立起符合石油勘探工作特征以及勘探中风险规避要求的安全管理制度,就需要首先对可能产生的风险和问题进行充分的分析,再进一步提出有效的安全管理制度与方法.在目前的石油勘探工作开展过程中,可能存在的风险来源于外部环境以及勘探的执行落实过程中,需要安全管理人员结合风
开发高效催化剂是促进包括电能源、碳循环等洁净新能源技术发展的关键.这些新型物质能源转换过程往往涉及光子、电子、质子等量子尺度的粒子转换,而常规纳米尺度催化剂调控策略己略显困难.原子分子尺度的限域空间带来的强相互作用、强分子碰撞,一方面增加了反应几率,另一方面显著影响了内部分子/原子的电子结构.更为重要的是,限域空间赋予了内部物质不同于开放体系下的特性.这些限域特性在调控催化剂上展现出巨大优势.本文从限域角度出发,综述利用原子、分子尺度限域特性对电催化剂分子构型、配位结构、电荷转移填充、介观调控、催化剂表面
油气田的正常运转离不开工艺设备.随着科学技术的不断发展,我国油气田取得了长足的发展,特别是一批先进设备的引进和优质工艺的形成更是让油气田的发展如虎添翼.但是,其安全性和可靠性如今成为了一个重要的问题,也是油气田研究的重点课题.基于此,本文对油气田工艺设备的安全性与可靠性措施进行分析.