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給電化學能源開掛,氮化硼的幾種神奇應(yīng)用
信息來源:本站 | 發(fā)布日期: 2024-07-20 11:11:36 | 瀏覽量:167408
能源危機已成為當今社會發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn),近年來,不可再生化石燃料的過度使用,致使多個國家遭受能源危機,新能源的發(fā)展遭受了前所未有的挑戰(zhàn)。尋求新的可再生、環(huán)保、高效的儲能和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)迫在眉睫。以鋰離子電池、超級電容器以及燃料電池等新能源體系為代表的電化學…
能源危機已成為當今社會發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn),近年來,不可再生化石燃料的過度使用,致使多個國家遭受能源危機,新能源的發(fā)展遭受了前所未有的挑戰(zhàn)。尋求新的可再生、環(huán)保、高效的儲能和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)迫在眉睫。以鋰離子電池、超級電容器以及燃料電池等新能源體系為代表的電化學能源將發(fā)揮重要作用。電化學能源的關(guān)鍵要素是器件的材料和結(jié)構(gòu),包括電極、電解質(zhì)、隔膜、催化劑和相應(yīng)的主體。
常規(guī)材料的缺陷
在實際應(yīng)用中,電化學能源材料常常存在以下問題:有機隔膜的熱變形、弱固體電解質(zhì)界面層和電催化劑失活等。
(1)隔膜熱變形問題
電池隔膜材料一般使用聚乙烯、聚丙烯等有機材料制備,起到隔離正、負極的作用。電池長時間循環(huán)會產(chǎn)生大量熱量,有機隔膜耐熱性差,受熱收縮容易引起正、負極接觸,進而引起短路、起火、甚至爆炸等熱失控問題。比如,商用PE隔膜在110℃時會變形,這就會引發(fā)嚴重的安全問題。
(2)弱固體電解質(zhì)界面(SEI)
金屬負極與電解液之間通過化學和電化學反應(yīng)形成的固體電解質(zhì)界面相被認為是決定電池長期穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,然而金屬負極表面的天然固體電解質(zhì)界面相常常存在機械強度不足的問題,對金屬枝晶的抑制作用較弱,金屬枝晶容易頂破天然固體電解質(zhì)界面,在快速充放電環(huán)境下大大增加了短路風險;此外,金屬枝晶還會帶動負極粉化,進而造成電池干液直至電池壽命結(jié)束。
(3)電催化劑失活
目前,常用的催化劑普遍面臨長期穩(wěn)定性和高催化活性之間的權(quán)衡問題,這是因為優(yōu)化后的高催化活性位點往往更易受到復雜催化反應(yīng)環(huán)境因素的影響。例如氧氣、水蒸氣、臭氧、酸性/堿性反應(yīng)介質(zhì)等因素都可能通過化學作用毒化、催化活性位點,導致催化劑表面發(fā)生重構(gòu)并破壞其結(jié)構(gòu),造成催化劑失活。
應(yīng)用于電化學能源的氮化硼
電化學儲能非常需要能夠克服上述問題的新材料,具有優(yōu)異理化性能的氮化硼逐漸進入人們視野。在氮化硼的電子結(jié)構(gòu)中,由于氮原子的高電負性,與sp2雜化的電子對更多地位于氮原子周圍,電子對離域程度很低,沒有自由移動的電子,因此氮化硼是一種電絕緣材料,這種絕緣性能曾一度限制了其在電化學能源領(lǐng)域的應(yīng)用。然而,隨著研究的深入,表面改性、摻雜、化學剪裁等方式為氮化硼突破電化學應(yīng)用的限制鋪平了道路。
(1)隔膜
氮化硼作為一種絕緣材料,可直接用作電池和電容器的隔膜,以防止短路。隔膜位于正負極之間,起到隔絕正、負極,避免直接接觸的作用,使鋰離子能夠自由通過的同時阻止電子通過,以免電池短路。在充放電過程中,一方面,氮化硼的化學惰性可以避免隔膜參與強氧化還原反應(yīng)進而導致的溶解問題;另一方面,具有良好機械性能的氮化硼隔膜不易被尖銳的金屬枝晶刺穿,避免短路等問題的出現(xiàn)。在長時間的充放電過程中,電池內(nèi)部溫度升高,而氮化硼具有出色的熱穩(wěn)定性,隔膜可以在120-150℃的高溫環(huán)境下正常工作,在電化學系統(tǒng)中,質(zhì)子和離子的電導率與溫度成正比,因此氮化硼隔膜不僅擴展了電源的工作極限環(huán)境供應(yīng),還提高了功率密度。
(2)固體電解質(zhì)界面
氮化硼是一種高強度材料,在固態(tài)電解質(zhì)的界面處引入氮化硼材料,可以有效抑制金屬枝晶的生長,提高電池循環(huán)穩(wěn)定性和安全性,有效延長電池的使用壽命。引入方法有兩種,一種策略是在電池的電解質(zhì)中添加氮化硼基納米材料,以構(gòu)建改進的固體電解質(zhì)界面和增強固態(tài)電解質(zhì),另一種方法是直接使用氮化硼薄膜作為人工固體電解質(zhì)界面。
(3)催化應(yīng)用
對于任何儲能技術(shù),不需要的副反應(yīng)都是無益的,因為它們會損壞活性材料,降低使用壽命,甚至會對系統(tǒng)安全構(gòu)成威脅,因此,避免電化學系統(tǒng)中的副反應(yīng)是非常重要的。氮化硼是一種化學性質(zhì)十分穩(wěn)定的材料,已穩(wěn)定用于許多電化學能量存儲和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。特別是對于需要催化劑的電化學反應(yīng),例如金屬-空氣電池、燃料電池等,氮化硼與催化劑材料的組合可以有效避免催化劑失活等不良反應(yīng)。
不同的電化學應(yīng)用,所需的氮化硼結(jié)構(gòu)也不同。比如質(zhì)子交換膜和人工固體電解質(zhì)界面,需要超薄氮化硼納米層,因為厚膜不利于離子擴散;用于電催化、金屬-空氣電池和燃料電池的功能化氮化硼(如摻雜、缺陷和改性氮化硼),可以嘗試固態(tài)和液態(tài)反應(yīng),使用化學添加劑可以促進氮化硼的化學剝離和表面功能化。一些特殊的氮化硼結(jié)構(gòu),如超細納米片、氮化硼和石墨烯復合材料,可以用作可充電電池的電解質(zhì)添加劑。
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