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牛津大學(xué)Nature子刊：鉀離子電解液離子傳輸和熱力學(xué)特性的全面研究

由于鉀的可得性和低成本，非水鉀離子電池（KIBs）代表了鋰離子電池的一種有希望的補(bǔ)充技術(shù)。

此外，與Li⁺相比，K⁺的電荷密度較低，有利于液態(tài)電解液中的離子傳輸特性，因此，這使得KIB有可能能夠提高倍率能力和低溫性能。然而，對(duì)非水鉀離子電解液的離子傳輸和熱力學(xué)特性的全面研究還沒(méi)有。

圖1 鉀電極制備及電解液特征分析

牛津大學(xué)Mauro Pasta等報(bào)告了由雙氟磺酰亞胺鉀（KFSI）鹽和1,2-二甲氧基乙烷（DME）溶劑組成的模型非水鉀離子電解液系統(tǒng)的離子傳輸和熱力學(xué)特性的全面特征，并將其與鋰離子等價(jià)物（即LiFSI：DME）在0.25-2molal的濃度范圍內(nèi)進(jìn)行了比較。

結(jié)果顯示，在所有濃度低于2M的情況下，KFSI:DME電解液的鹽擴(kuò)散系數(shù)和陽(yáng)離子轉(zhuǎn)移數(shù)明顯高于LiFSI電解液。更高的鹽擴(kuò)散系數(shù)和陽(yáng)離子轉(zhuǎn)移數(shù)減少了離子濃度梯度的形成和相關(guān)的濃度過(guò)電位，從而證實(shí)了KIBs提供更好的速率能力和低溫性能的潛力。

在20℃時(shí)，離子電導(dǎo)率被發(fā)現(xiàn)是相似的，LiFSI在1.7M之前略高，這可能是由于KFSI鹽解離不充分。熱力學(xué)因子隨濃度變化的行為表明，與Li⁺相比，K⁺的溶劑和離子相互作用較弱。

圖2 KFSI和LiFSI在DME中的濃度依賴(lài)性遷移數(shù)和離子電導(dǎo)率

采用這里描述的電解液特性關(guān)系對(duì)鉀離子和鋰離子金屬|(zhì)|石墨電池進(jìn)行的DFN模擬表明，KFSI：DME電解液更快的傳輸特性導(dǎo)致了充電速率的提高。

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究證明，K⁺的陽(yáng)離子尺寸增大，電荷密度降低，因此溶劑和離子間的相互作用較弱，有利于大功率電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。鉀離子電解液的全面表征提供了對(duì)鉀離子電解液傳質(zhì)和熱力學(xué)的更準(zhǔn)確的理解，為進(jìn)一步的鉀離子電解液開(kāi)發(fā)和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

圖3 多爾-富勒-紐曼（DFN）模擬

Fundamental investigations on the ionic transport and thermodynamic properties of non-aqueous potassium-ion electrolytes. Nature Communications 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-39523-0

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