Nano Energy綜述：單原子分散材料在可充放電電池中的應用

youyoucao 3年前 (2020-06-30) 5568瀏覽

引言

金屬單原子負載于載體上的原子級分散材料（ADM）具有均勻的活性位點，代表了最大的原子利用率，在催化領域應用廣泛。這些結構和形態特征也使ADM成為有吸引力的可充放電電池材料。在此，我們首先介紹了通過物理限制和化學鍵合作用合成ADM的方法，并總結了ADM在鋰金屬、鋰硫、鈉硫、鋰氧和鋅空氣電池中的最新進展，且從原子層面揭示了ADM在其中的作用。最后，我們討論了該領域的挑戰和前景。

亮點

1. 回顧了ADM的合成進展，包括物理限制和化學鍵合。

2. 概述了ADM在金屬鋰，鋰硫，鈉硫，鋰氧和鋅空氣電池中的最新進展。

3. 從第一性原理的角度回顧了研究ADM的計算工作。

4. 討論了該領域的最新挑戰和觀點。

成果簡介

近日，香港科技大學Francesco Ciucci教授聯合華南理工大學唐正華教授發表綜述文章，概括總結了單原子分散材料在可充放電電池中的應用。該工作以題為“Atomically dispersed materials for rechargeable batteries”發表在國際知名期刊Nano?Energy上。論文第一作者為張志琦博士，劉佳鵬為共同第一作者。另外，Antonino，王宇豪，吳軍雄，以及周國棟也在參與到這一工作中。

圖文導讀

Figure 1．單原子分散材料在Li/Na-S，Zn-air和Li-O2電池中的應用示意圖。

Figure 2．?ADM的合成方法概述。

Figure 3．ADM合成的示意圖。a）通過MOF的高溫熱解在N摻雜的多孔碳上構建Co單原子。b）通過光化學途徑在TiO2上構建Pd單原子。c）通過電化學剝離在Mo2TiC2Tx?MXene納米片上構建Pt單原子。d）氣體傳輸方式。i）通過ALD技術將Pd單原子固定在石墨烯的氧官能團上。ii）在具有豐富缺陷的富氮碳載體上構建Cu單原子。e）在具有豐富微孔的hNCNC上構建Pt單原子。f）通過球磨法構建石墨烯支撐的MNx。g）通過高溫沖擊波法合成ADM（灰色，碳原子；青色，金屬前體；紅色，金屬原子）。

Figure 4．由ADM或原子簇修飾的鋰陽極。a）用于鋰陽極的SCAu-CC。b）用于鋰陽極的SANi-NG。c）用于鋰陽極的FeSA-N-C。

Figure 5．a）Co-N/G的HAADF-STEM圖。b）和c）具有Co-N/G和相關對照樣品的Li-S電池的電化學性能：b）對稱電池的循環伏安圖和c）速率能力。d）SC-Co的示意圖。e）Li2S在Ni@NG和NG上的分解能壘（藍色，青色，綠色，黃色和棕色的球分別代表Ni，N，Li，S和C原子）。f）S@Con-HC中NaPS的電極反應機理的示意圖。g）S@Con-HC和S@HC的循環性能。

Figure 6．a）基于Co-SAs/C的Li-O2電池示意圖。b-d）第一個充電周期后，b）Co-SAs/NC，c）Co-NPs/NC和d）NC電極的掃描電子顯微鏡圖。反應機理的示意圖分別在e）Co-SAs/NC和f）N-C電極中發生。g）Li-O2電池的Co-SAs/NC電極的循環穩定性和終端放電充電電壓。h）N-HP-Co和i）N-HP-Co放電后的SEM圖像。j）N-HP-Co催化的Li-O2電池充電機理的示意圖。k-m）用于鋅空氣電池的NGM-Co。k）固態鋅空氣電池的示意圖。l）NGM-Co和對照催化劑（10.0 volmV s-1）的線性掃描伏安曲線，顯示了ORR和OER活性。 m）鋅空氣電池的照片。

Figure 7．a）單金屬原子M以及雙金屬原子M1和M2負載在NG上的典型配位結構b）NG上的Cu單原子的不同配位結構模型。c）計算的反應（b）中分組的模型的吉布斯自由能。d）在不同載體上計算出的Fe單原子的電荷密度差：頂部，NG上的單個Fe；P摻雜NG上的單鐵中間; 底部，P，S共摻雜NG上的單個Fe。黃色和藍色區域分別代表電荷密度的累積和損失。

總結

作者對ADM的合成及其在可充放電電池中的應用及相關的機理進行了總結，并提出了自己的一些見解：

（1）廉價、規模化制備高金屬單原子擔載量的ADM仍然是合成過程中面臨的主要挑戰。

（2）通過改變單原子活性中心或其配位環境，合理地設計具有特定功能的ADM，有望展現出更多意想不到的活性。

（3）依靠理論計算、原位實驗等手段深層次地理解ADM在合成及應用中的問題。

（4）ADM在電池中的應用仍在起步階段，在儲能方面的應用有待進一步挖掘。

課題組簡介

香港科技大學Francesco Ciucci教授課題組集中于研究能源材料相關的課題，包括固體氧化無燃料電池（SOFC），鋰離子電池，電解催化。此外，課題組在數學建模方面有著很豐富的經驗，包括連續性介質模型用以模擬固態電池，分子模型（DFT，MD）等模擬電池材料，以及利用數學物理模型進一步分析理解電化學阻抗譜。

歡迎瀏覽課題組主頁https://ciucci.org/

文獻鏈接：Zhang, Zhiqi, Jiapeng Liu, Antonino Curcio, Yuhao Wang, Junxiong Wu, Guodong Zhou, Zhenghua Tang, and Francesco Ciucci. Atomically dispersed materials for rechargeable batteries. Nano Energy?(2020): 105085.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105085

本文由香港科技大學Francesco Ciucci教授課題組供稿。

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