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数量:12 (1)DOI: 10.37532 / 0974 - 7540.22.12.1.233材料设计和制备先进电化学存储
收到:3 - 1 - 2022;手稿。tsrre - 22 - 64502;编辑分配:17 - 1 - 2022;PreQC没有。tsrre - 22 - 64502 (PQ);综述:25 - 1 - 2022;质量控制。tsrre - 22 - 64502 (Q);修改后:28日- 1月- 2022;手稿。tsrre - 22 - 64502 (R);发表:30 - 2022年1月——DOI 10.37532 / 0974 - 7540.22.12.1.233
引用:布朗j .材料设计和制备先进的电化学存储。Res Electrochem牧师。2022;12 (1):233。
文摘
以满足世界不断增长的能源需求,同时保护环境,世界的依赖不可再生能源源必须大幅减少。能够有效地转换、存储、运输、和访问能源以各种方式将是这一努力的核心。小电池消费设备已饱和的社会;但是,如果他们是有用的在大规模的应用,如汽车运输或网格存储新材料需要显著提高性能。努力还必须关注使用的组成和无毒的化合物来确保任何进展不产生新的环境问题。以满足世界不断增长的能源需求,同时保护环境,世界的依赖不可再生能源源必须大幅减少。能够有效地转换、存储、运输、和访问能源以各种方式将是这一努力的核心。小电池消费设备已饱和的社会;但是,如果他们是有用的在大规模的应用,如汽车运输或网格存储新材料需要显著提高性能。努力还必须关注使用的组成和无毒的化合物来确保任何进展不产生新的环境问题。我们描述了锂离子电池的开路电压可以通过结构和组分优化操作和优化利用电负性的差异可能的电极材料。然后我们讨论现代合成技术是最可持续的,允许创建通过环保新材料反应,使用最少的能源和有毒溶剂。最后,我们提出一个案例研究,展示了我们如何成功地使用这些方法创建了大量的新的,最近发现有用的电极材料家庭过渡金属fluorosulfates。这家庭已经引起了研究人员的兴趣的一个潜在来源改善锂离子电池的大规模应用,也受益于一个相对的“绿色”合成。
关键字
电负性;金属fluorosulfates;汽车运输
介绍
减少社会的依赖的欲望化石燃料高的领域吗能源存储到21世纪的前沿研究。将太阳能转换的基本概念能源通过光电、光催化或光合路线很好理解今天,也是通过电池电化学存储的基本原理,超级电容器(1),而燃料细胞(2]。因此,当前的挑战是不懂如何转换和存储能源我们将要求,而是我们将使用哪些材料和他们如何可以大规模生产效率高,同时保持低足够的成本,以确保全球采用。
对于任何新技术,获得广泛采用,它变得明显,应对这些挑战将需要创新设计和优化的新材料。DARPA在1960年代,有一个谚语说,“技术总是受限于可用的材料,”这是今天仍然如此。呼吁新材料带来了惊人的论文数量处理改善了材料的发展对水分裂,光子转换,或电化学存储,但仍需要积极寻找新的化合物。寻找新材料,广泛关注解决电化学问题能源存储,无疑将在未来几年是至关重要的。
在下面几节中,我们将复习的极其困难的过程开发新插入电极,从概念设计和化学元素选择氧化还原性能优化。开始,我们将概述当前最先进的正电极和识别固有的材料限制他们的礼物。这将是紧随其后的是一个通用的策略与优化设计新阶段氧化还原特性,开发新的、可持续的目标反应通路。我们将讨论如何合理提交材料设计和合成方法已经成功地应用于最近发现的背景下家庭过渡金属fluorosulfates。实现建立一个可持续发展的目标能源经济,化学家们使用他们的能力“种花”准备新阶段和优化其合成技术将至关重要。
今天的Li-Battery情况
当前最先进的正电极LiCoO2, LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2,或LiMn2O4,与最近发现阴离子化合物磷酸铁锂和LiFeSO4F等,虽然不先进,在不久的将来将发挥重要作用。虽然这些在实际应用的阶段执行令人钦佩,他们并不是没有限制的。
因为它的低分子量、LiCoO2最常用的正面插入电极,具有极高的理论容量274毫安h g1。不幸的是,每当有超过一半的锂离子从之间的层,结构趋于崩溃由于重要过渡金属多面体之间的静电斥力,从而限制了可逆容量150毫安左右h g - 1(级3]。为了解决这个问题,已经广泛的努力,部分替代的一小部分公司在这个阶段与镍或Mn为了支持对分解结构在高潜力。这种技术已经导致我)可持续190 mA h g - 1与级材料的可逆容量公式的LiCoNi1/3Mn1/3O2称为NMC, (4)和ii)的合成Li-rich分层氧化物通过嵌入活性Li2MnO3组件内分层LiMO2 xLi2MnO3•(1 - x) LiMn0.5Ni0.5O2做准备。由于Mn解散,这些材料继续表现出慢动力学(如功率比能力)和有限的生命循环5]。
相比之下,尖晶石结构LiMn2O4更耐锂清除,能够可逆地删除并重新插入高达95%的理论能力。LiCoO2一样,然而,这一阶段使用时稳定性问题在传统Li-based液体电解质,除非特殊后处理[6]执行防止微量溶解的高频出现在电解液中,并显著降低的理论容量(148 mah g1) LiCoO2相比。磷酸铁锂,近年来获得了广泛的关注,有很大的潜力,特别是在安全性能方面,但它不能竞争而言,由于其相对功率密度低操作电压。鉴于这些内在的局限性,很明显,新材料的设计和发现阶段电化学存储的未来至关重要。
基本设计原则
在材料层面,成本主要是由反应温度和压力,开始大量的试剂,最终的设备的性能。因此,贵金属如Ag),非盟,Pt和显著增加每个单元的总成本和不实用,而元素的毒性等,Hg,,和Se意味着他们永远不会足够安全分发所需的量。同时,短缺的担忧稀土金属如洛杉矶、Ce、和公关,以及高分子量等4 d和5 d过渡金属,使他们不切实际的。简单地应用这几个标准消除了很大一部分的元素周期表,见,使化学家有点有限数量的元素。尽管如此,这几个元素有可能产生大量的组合,和可持续3 d等过渡金属锰(LiMn2O4)、铁(磷酸铁锂,Li2FeSiO4),甚至Ti(二氧化钛、Li4Ti5O12)收到了很多关注候选人取代更昂贵的和有些有毒或镍基电极。
因此,主要的问题是如何选择,从大量的铁或锰基阶段,“获胜”成分,不仅具有特殊的性能,也可以在一个清洁、环保的方式。元素周期表是一个很好的指南设计化合物在这个追求,但它所包含的趋势往往被忽视或遗忘,因为他们不太明确近年来讨论。为了帮助纠正这种,我们列出了最重要的电化学材料的属性。
开始,这很好理解原子的原子半径减少作为一个从左到右,从下到上的元素周期表。电负性和电离作用能量增加的带正电的原子核开始把更多的强烈元素的价电子的半径减少。电负性的上下文中插入电极的重要性是至关重要的,因为它决定了离子/共价字符metalligand债券,下面将进一步讨论,对于调优氧化还原电位是至关重要的。事实上,电离作用能源也许是同样重要的,它决定了原子的氧化/还原能力。因为它是更容易去除电子远离核心和电离作用能量较低,单价离子,M +,可以作为降低代理比五价的离子,M5 +,它更倾向于氧化。同样,3 d阳离子电荷具有更强的氧化能力和地对空导弹从左到右的元素周期表,由于原子半径。
大小影响也扮演了一定的角色high-valence稳定的氧化态通过减少库仑斥力,事实证明了V5 +是相对常见的在空气中而Co4 +相对不稳定。或许更重要的是创建新材料、氧化物的acidic-basic特征可以从这一事实推导出债券更高的离子特性,如倪¬? O,往往更基本,因为高度紧张的氧离子很容易捕获质子。共价键的氧化物,如二氧化硅、有强酸性的角色因为氧离子的部分电荷更分化的过渡金属,使质子更容易离开。
识别和规划的新阶段
理解材料的原子结构之间的关系和他们的应用程序已经并将继续成为一种动力领域的无机合成在可预见的未来。与我们刚才描述的工具,我们现在可以回到的问题如何寻找新的和有前途的成分没有测试所有可能的安排。
计算和理论方法
鉴于几乎无限数量的潜在阶段和迫切需要,高通量计算工具预测和识别有前途的新材料正在不断发展7]。这些举措,严重依赖于实验数据库和仍处于早期阶段,旨在为固态化学做什么基因组学为生物学。尽管如此,尽管重要的努力致力于这些方法,仍有新的化合物的例子很少,仅仅计算预测的结果(例如,borophosphates和carbonosilicates) (8]。这应该作为计算化学家和动机理论家继续努力改善他们的模型,加强他们的努力来识别关键参数,必须注册,同时保持密切的互动实验测试和验证他们的预测。
同时,图书馆现有的材料,它主要由天然矿物结构,必须依靠指导新化合物的发现,与他们的最后准备严重依赖直觉和热力学控制的能力,化学亲和力,和结构考虑长等人最近描述了一个利用降维方法预测新化合物的一般机制通过仔细分析实验数据库包含超过3000个晶体结构。这张图解释了金属离子(M ? X)框架在一个母体化合物,MXx拆卸,可通过与一个离子试剂反应一个X组成家庭的naMXx + n化合物与降低维数。因此,为大量三维(3 d)二进制阶段,人应该能够预测2 d的存在,1 d, 0 d同系物。使用硅酸框架为例,16 1/2Li后续补充2O产生化合物与渐渐的失去连接的框架,从瓦楞负债表李2如果2O5(3 d),发展到连锁Li2SiO3(2 d),(如果单独连接2O7)6 -阴离子(1 d)6如果2O7,最后生成离散(SiO分子4]4在李-四面体(OD)4年代。
总结和分析
最近出生第七十亿人,世界各国提醒,如果他们想保持他们当前的生活标准,他们必须增加一倍以上能源2050年生产。而生产如此大量的任务能源似乎令人生畏,世界上几乎所有的这一事实能源从不可再生的化石燃料,排放大量的二氧化碳作为副产品的燃烧,只有复杂的问题。因此,如果社会是这大量的成功交付能源同时最小化对环境的影响,可再生能源如风能、太阳能、潮汐、地热必须发挥重要作用,汽车车辆必须成为独立于石油燃料。
有鉴于此,开发新的电极材料的最终目标是最终创建一个“superbattery”,可以满足任何应用程序的需求的高能源提供它的电荷密度和能力迅速和安全。未来这样的装置,电极需要显著更大的能力或能力的操作电压远高于目前可用。而化学家的直觉仍是重要的在寻找新材料,这种方法是极其缓慢。因此,计算方法必须进一步发展,发展的最终目标理论方法能够预测新化合物及其相应的属性,但进展这个崇高的目标将是缓慢的。虽然理论化学家开发他们的技术,实验将受益于改善其使用大规模数据库的结构信息,已经可用。程序,使搜索特定的本地协调环境,特别是,是极其宝贵的鉴于氧化还原中心周围的局部结构的重要性在解锁高氧化还原电位,最近报道(9]。
尽管大部分的讨论集中在增加电极的工作电压,应该注意的是,这些电极的电压的上限的抗氧化功能目前由现有的电解质。然而,液态电解质领域的进展极其缓慢,现在可能是时候开始更积极地追求固体电解质固体电解质的设计考虑超出了该帐户的范围,但显然更好的离子导体与高度优化的接口和需要改进的动力学才能成为商业上可行的10]。
总之,我们试图提供一些指导,帮助识别新的和更高的执行材料电化学存储。我们回顾了所需的基本化学和证明,使用一个最近发现的家庭的化合物,如何识别和开发新阶段的性能和可持续性。在电化学领域的进步能源存储将严重依赖化学家设计新材料非常特殊的结构、成分、形态,我们希望社区的实验和计算化学家将使用信息进一步推动电化学存储材料的限制。
引用
- 西蒙•P Gogotsi Y。材料电化学电容器。Nanosci。抛光工艺。2010;320 - 9。
- 海丽SM。材料燃料细胞。板牙。今天。2003年3月1;6 (3):24-9。
- 水岛KJ,琼斯PC,怀斯曼PJ。LixCoO2 (0 < x < 1):一个新的电池阴极材料的高能源密度。板牙。牛>,1980年6月1;15 (6):783 - 9。
- Yabuuchi N, Makimura Y, Ohzuku T。固态化学和电化学LiCo1吗?3 ni1 ?3 mn1 ?3 o2为先进的锂离子电池:III。充电容量和cycleability。j . Electrochem。Soc。2007年2月16日,154 (4):A314。
- 张成泽DH,胫骨YJ SM。解散尖晶石氧化物和容量损失4 V李/李x Mn2 O 4细胞。j . Electrochem。Soc。1996年7月1日,143 (7):2204。
- 萨克雷MM,约翰逊CS, Kim JS等。ZrO2-and Li2ZrO3-stabilized尖晶石和分层为锂电池电极。Electrochem。commun。2003年9月1;5 (9):752 - 8。
- 陈Hautier G,耆那教,H,等。小说混合聚阴离子锂离子电池阴极材料预测的高通量从头开始计算。j .板牙。化学2011;21 (43):17147 - 53。
- 耆那教徒,Hautier G,摩尔C, et al。计算调查Li9M3 (P2O7) 3 (PO4) 2 (M = V,密苏里州)作为锂离子电池的阴极。j . Electrochem。Soc。2012年3月5日,159 (5):A622。
- 雷诺M, Ati M,公元前Melot, et al。Li2Fe (SO4) 2作为一个3.83 V正极材料。Electrochem。commun。2012年7月1;21:77 - 80。
- Quartarone E, Mustarelli P。固态锂充电电池的电解质:最新进展和观点。化学。Soc。启40 2011;(5):2525 - 40。
