水相鐵離子電池由于其極低的材料成本，仍然在很大程度上未被探索，盡管它們的循環(huán)壽命較短。此外，它們的工作機(jī)制大多未公開，僅有少數(shù)實(shí)驗(yàn)研究可用。在本研究中，作者制造了鐵離子電池，其在相對(duì)較低的 5C 速率下提供了令人印象深刻的 225 mA h g
−1 的比容量，并在 15C 下展現(xiàn)出高達(dá) 27,000 次循環(huán)的極長(zhǎng)循環(huán)壽命，容量保持率為 82%。此外，整體設(shè)置包括一個(gè)碳鋼箔陽(yáng)極（中等純度的鐵源），以及可擴(kuò)展的陰極和低成本的 FeSO
4 電解液，提供了具有成本效益的解決方案。該理論研究表明，陰極中鐵的摻入過程以及循環(huán)過程中相應(yīng)的電壓曲線，主要受鐵在聚苯胺空置 N 位點(diǎn)上的形成能和鐵附著引起的結(jié)構(gòu)變形的影響。值得注意的是，該電池被證明沒有火災(zāi)危險(xiǎn)和短路故障。 隨著制造友好的三明治型或 3D 圓柱形陰極消除了多堆電極，該電池在固定能源存儲(chǔ)系統(tǒng)中具有成本效益、持久耐用和安全的特點(diǎn)。
Fig 1. (a) 通過切割圓柱形海綿狀 CNT 并夾入 PANI 粉末來制造陰極。SEM 圖像顯示了 CNT 層之間的 PANI 浸漬層。(b) 放電和充電過程的示意圖以及相應(yīng)的 Fe 離子和電子的流動(dòng)。
Fig 2. (a) PANI 嵌入 CNT 電極在 10 mV s
−1 掃描速率下前五個(gè)循環(huán)的 CV 曲線。 (b) 在 CV 過程中可以生成的穩(wěn)定中間體中空 N 位點(diǎn)（即沒有 H 的 N）的電荷密度差異圖。所有結(jié)構(gòu)的等值面水平為 0.004 e Å
−3 。青色和黃色分別代表孔和電子。 (c) PANI 嵌入 CNT 電極在不同掃描速率下的 CV 曲線。 (d) 紅氧峰的對(duì)應(yīng) log（峰值電流）和 log（掃描速率）。峰 1 和峰 2 的斜率的 R 平方值分別為 0.995 和 0.998。
Fig 3. (a) 在全電池放電過程中，F(xiàn)e 附著在 PANI 上時(shí)的形成能的凸包圖。所有考慮的相用黑色符號(hào)表示，穩(wěn)定相用紅色符號(hào)突出顯示。(b) 在全電池放電過程中，無氫的 PANI 結(jié)構(gòu)（C
6 H
4 N）和含 Fe 的 PANI 結(jié)構(gòu)（C
6 H
4 Fe
x N，x = 0.25, 0.375, 0.625, 0.875 和 1.0）。(c) 兩種不同 PANI 結(jié)構(gòu)的形成能，其中氮位點(diǎn)僅被 Fe 或 Fe + H（混合 Fe 和 H）占據(jù)。(d) 當(dāng) PANI 中 Fe 濃度為 0.25、0.375、0.625、0.875 和 1.0 時(shí)的理論電壓曲線，以及 5C 時(shí)的實(shí)驗(yàn)電壓曲線。(e) 對(duì)應(yīng)于 Fe 濃度的 PANI 結(jié)構(gòu)的平均二面角。
Fig 4. (a) 在不同 C 速率下，8%活性材料負(fù)載的 PANI 夾層 CNT 陰極的全電池的比容量（1C = 每克 300 mA）。(b) 在不同 C 速率下的相應(yīng)充放電電壓曲線。(c) 在 15C 下，8 wt%活性材料負(fù)載電池的放電比容量和庫(kù)侖效率隨循環(huán)次數(shù)的變化。
Fig 5. (a) 原始碳鋼的 X 射線衍射數(shù)據(jù)，14 天未循環(huán)的碳鋼陽(yáng)極在硬幣電池中的數(shù)據(jù)，以及經(jīng)過 500 和 5000 次循環(huán)后的陽(yáng)極。 (b) 原始碳鋼表面的 SEM 圖像，(c) 經(jīng)過 5000 次循環(huán)后的碳鋼陽(yáng)極表面，(d) 原始碳鋼的橫截面，以及(e) 經(jīng)過 5000 次循環(huán)后的陽(yáng)極的橫截面。
Fig 6. 測(cè)試設(shè)置，電解質(zhì)中有一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極（約 590 μL），具有三種不同的電極配置（a）短路前，（b）短路中，以及（c）短路后，以及（d）相應(yīng)的電壓隨時(shí)間變化的曲線。
Fig 7. (a) 圓柱形電池的示意圖，包含涂有 PANI 的 CNT 海綿陰極、碳鋼絲陽(yáng)極、編織聚酯套管隔膜和 1 M FeSO
4 水溶液電解質(zhì)。由于使用了透明玻璃容器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此使用石墨箔作為集流體（如果使用金屬容器，則不需要集流體）。(b) 圓柱形電池的照片，旁邊是一個(gè)干電池（AA 尺寸）以作比較。插圖是用于陰極的 CNT 海綿的照片。(c) 圓柱形電池在 1C（1C = 每克 300 mA）下的比放電容量和庫(kù)侖效率。插圖中的雷達(dá)圖比較了我們的 FIB 與鉛酸電池和鋰離子電池的關(guān)鍵電池特性。
相關(guān)研究工作由德州農(nóng)工大學(xué)Choongho Yu和Joseph Sang-Il Kwon團(tuán)隊(duì)于2024年共同在線發(fā)表在《
Energy Environ. Sci.》期刊上，Low-cost, resilient, and non-flammable rechargeable Fe-ion batteries with scalable fabrication and long cycle life，原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4EE03350G
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
