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,盡管它們的循環壽命較短。此外,它們的工作機制大多未公開,僅有少數實驗研究可用。在本研究中,作者制造了鐵離子電池,其在相對較低的 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 下展現出高達 27,000 次循環的極長循環壽命,容量保持率為 82%。此外,整體設置包括一個碳鋼箔陽極(中等純度的鐵源),以及可擴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過程中相應的電壓曲線,主要受鐵在聚苯胺空置 N 位點上的形成能和鐵附著引起的結構變形的影響。值得注意的是,該電池被證明沒有火災危險和短路故障。 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系統中具有成本效益、持久耐用和安全的特點。

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的 Fe 離子和電子的流動。

Fig 2. (a) PANI 嵌入 CNT 電極在 10 mV s
−1 掃描速率下前五個循環的 CV 曲線。 (b) 在 CV 過程中可以生成的穩定中間體中空 N 位點(即沒有 H 的 N)的電荷密度差異圖。所有結構的等值面水平為 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) 紅氧峰的對應 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,Fe 附著在 PANI 上時的形成能的凸包圖。所有考慮的相用黑色符號表示,穩定相用紅色符號突出顯示。(b) 在全電池放電過程中,無氫的 PANI 結構(C
6 H
4 N)和含 Fe 的 PANI 結構(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 結構的形成能,其中氮位點僅被 Fe 或 Fe + H(混合 Fe 和 H)占據。(d) 當 PANI 中 Fe 濃度為 0.25、0.375、0.625、0.875 和 1.0 時的理論電壓曲線,以及 5C 時的實驗電壓曲線。(e) 對應于 Fe 濃度的 PANI 結構的平均二面角。

Fig 4. (a) 在不同 C 速率下,8%活性材料負載的 PANI 夾層 CNT 陰極的全電池的比容量(1C = 每克 300 mA)。(b) 在不同 C 速率下的相應充放電電壓曲線。(c) 在 15C 下,8 wt%活性材料負載電池的放電比容量和庫侖效率隨循環次數的變化。

Fig 5. (a) 原始碳鋼的 X 射線衍射數據,14 天未循環的碳鋼陽極在硬幣電池中的數據,以及經過 500 和 5000 次循環后的陽極。 (b) 原始碳鋼表面的 SEM 圖像,(c) 經過 5000 次循環后的碳鋼陽極表面,(d) 原始碳鋼的橫截面,以及(e) 經過 5000 次循環后的陽極的橫截面。

Fig 6. 測試設置,電解質中有一個陰極和一個陽極(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)相應的電壓隨時間變化的曲線。

Fig 7. (a) 圓柱形電池的示意圖,包含涂有 PANI 的 CNT 海綿陰極、碳鋼絲陽極、編織聚酯套管隔膜和 1 M FeSO
4 水溶液電解質。由于使用了透明玻璃容器進行監測,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侖效率。插圖中的雷達圖比較了我們的 FIB 與鉛酸電池和鋰離子電池的關鍵電池特性。
相關研究工作由德州農工大學Choongho Yu和Joseph Sang-Il Kwon團隊于2024年共同在線發表在《
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
轉自《石墨烯研究》公眾號