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苏州大学彭扬&邓昭:光致发光WSe2纳米纤维自支撑阴极的制备及其在太阳能辅助Li-O2电池中的应用

学术动态    2022-07-11 16:03

DOI: 10.1016/j.cej.2022.137591

 

太阳能辅助Li-O2电池由于其显著提高的往返能量效率引起了人们的极大兴趣,但是如何将光伏效应与活性材料的催化活性协同起来仍然是一个挑战。在此,通过将多元静电纺丝与化学气相沉积相结合的新型合成策略,首次制备了一种包含WSe2嵌入CNT增强碳纳米纤维的自支撑光致发光氧阴极。最佳光电阴极在黑暗中可提供57.17mAh/cm2的超高放电容量,在光照下容量可提高三倍,且放电/充电电压差缩小至0.49V。综合机理研究表明,其卓越的电池性能可归功于WSe2催化的可逆Li2O2转化以及阴极和阳极上光改善的电化学微环境。通过展示具有透明外壳的软包电池,本研究为太阳能辅助Li-O2电池在柔性电子产品和可穿戴设备中的实际应用铺平了道路。

 

图1.WSe2碳纳米纤维(WNFs)的制备和微观结构。(a)结合多元静电纺丝和化学气相沉积的WNFs合成方案。(b)WNF-0.45的FE-SEM和(c)低分辨率TEM图像。(d)高分辨率TEM图像,显示WNF-0.45中的WSe2晶格条纹。(e)WNF-0.45中C、Se和W的元素映射图像。

 

图2.WNFs的物理化学表征。(a)不同钨酸盐负载下所制备WNFs的XRD图谱。(b)不同硒化温度下WNF-0.45的拉曼光谱。(c-f)WNF-0.45中C1s、N1s、W4f和Se3d的XPS光谱。

 

图3.WNF-0.45和CNF在黑暗中的LOB(Li-O2电池)性能。(a)0.05mA/cm2时的恒电流放电和充电曲线。(b)0.05至1mA/cm2下的倍率性能,截止容量为0.1mAh/cm2。(c)WNF-0.45在不同电流密度下的总面积放电容量。(d)将这项工作中的面积容量与文献中报道的最先进Li-O2电池进行比较。(e)0.1mA/cm2下的恒电流循环性能,截止容量为0.2mAh/cm2

 

图4.WNF-0.45在有无光照条件下的电化学性质。(a)太阳能辅助Li-O2电池的能量示意图。(b)WNF-0.45的荧光图片。(c)有无光照条件下,LOB在0.05mA/cm2时的放电和充电曲线。(d)有无光照条件下,LOB在1mA/cm2时的总放电容量。(e)有无光照条件下,LOB在0.25mA/cm2时的循环性能。

 

图5.从LOBs上拆卸下来的阴极的事后表征。(a,b)在黑暗中完全放电和充电后WNF-0.45阴极的SEM图像。(c,d)在黑暗中完全放电和充电后WNF-0.45阴极的XRD图谱和拉曼光谱。(e,f)在光照下完全放电和充电后WNF-0.45阴极的SEM图像。

 

图6.通过DEMS和EIS探测LOBs中的电化学微环境。(a)在光照放电后立即充电时获得的DEMS光谱。(b)在暗放电后立即充电时获得的DEMS光谱。(c)在有无连续光照条件下,经不同循环阶段的LOB中WNF-0.45的EIS光谱。(d)经不同循环阶段的LOBs中CNF的EIS光谱。

 

图7.从LOBs上拆卸下来的阳极的表面形貌。(a,b)从LOBs上拆卸下来的锂阳极在有无光照条件下的照片。(c,d)在0.25mA/cm2下循环15次后,从LOBs上拆卸下来的锂阳极在有无光照条件下的SEM图像。

 

图8.具有半固态凝胶电解质的透明软包电池演示。(a)有无光照时,在0.05mA/cm2下的放电和充电曲线。(b)在间歇光照(每天一个循环)以及0.05mA/cm2下的循环性能。(c)有无光照时,在0.15mA/cm2下的面积能量密度。(d)在不同变形下为发光二极管供电的透明软包电池的数码照片。(e)为LED显示器供电的更大尺寸的软包电池。