原位电化学阻抗谱监测长寿命热电池Nb12WO33正极材料的高温双放电机制

邱领邦 蒋江民 王李波 白浪 周飞 周羔宇 庄全超 崔艳华

引用本文: 邱领邦, 蒋江民, 王李波, 白浪, 周飞, 周羔宇, 庄全超, 崔艳华. 原位电化学阻抗谱监测长寿命热电池Nb12WO33正极材料的高温双放电机制[J]. 物理化学学报, 2025, 41(5): 100040. doi: 10.1016/j.actphy.2024.100040 shu
Citation:  Lingbang Qiu, Jiangmin Jiang, Libo Wang, Lang Bai, Fei Zhou, Gaoyu Zhou, Quanchao Zhuang, Yanhua Cui. In Situ Electrochemical Impedance Spectroscopy Monitoring of the High-Temperature Double-Discharge Mechanism of Nb12WO33 Cathode Material for Long-Life Thermal Batteries[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2025, 41(5): 100040. doi: 10.1016/j.actphy.2024.100040 shu

原位电化学阻抗谱监测长寿命热电池Nb12WO33正极材料的高温双放电机制

    通讯作者: 蒋江民, jiangmin326@163.com; 庄全超, zhuangquanchao@126.com; 崔艳华, cuiyanhua@netease.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 U2030206

    国家自然科学基金 22209204

    江苏省自然科学基金 BK20221140

摘要: 热电池作为一种一次贮备电池,具有高比能、高功率密度等优势,然而开发高比容量与高热稳定性的新型正极材料以适应新时期的热电池需求仍然存在巨大的挑战。Wadsley-Roth晶体剪切结构的铌钨氧化物作为锂离子电池负极材料表现出优异的倍率和循环循环性,其中Nb12WO33因内部具有独特的3D隧道,可以为Li+提供快速的脱嵌通道,因而具有优异的储锂性能。鉴于其具有较好的热稳定性及电化学稳定性,本文首次提出将Nb12WO33作为热电池正极材料,并在室温下使用电化学阻抗谱(EIS)来探究材料内部电子电导率阻抗变化规律。研究发现Nb12WO33电极电化学阻抗谱测试的Nyquist图显示在工作平台电位范围内,高、中频区出现了三个圆弧的独特现象,这主要归属于电子在Nb12WO33电极内部的传导,而与电子电导相关的电阻呈现先增大后降低的规律。采用该材料构筑的热电池单体电池在500 ℃、500 mA·g−1的电流密度(截止电压1.5 V)下放电,其具有436.8 mAh·g−1的高比容量,脉冲放电的平均极化内阻为0.52 Ω。因此,Nb12WO33作为高比容量、高热稳定性热电池的正极材料非常具有潜力,本研究为其他铌钨氧化物作为热电池正极材料的研究开辟了新道路。

English

    1. [1]

      Li, R.; Guo, W.; Qian, Y. J. Front. Chem. 2022, 10, 832972. doi: 10.3389/fchem.2022.832972

    2. [2]

      Masset, P.; Guidotti, R. A. J. Power Sources 2007, 164 (1), 397. doi: 10.1016/j.jpowsour.2006.10.080

    3. [3]

      Choi, Y.; Cho, S.; Lee, Y.-S. J. Ind. Eng. Chem. 2014, 20 (5), 3584. doi: 10.1016/j.jiec.2013.12.052

    4. [4]

      Meng, X.; Liu, H.; Bi, S.; Fan, S.; Cao, L.; Yi, T.; Li, X. J. Energy Storage 2024, 78, 109905. doi: 10.1016/j.est.2023.109905

    5. [5]

      Masset, P. J.; Guidotti, R. A. J. Power Sources 2008, 177 (2), 595. doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.11.017

    6. [6]

      Jin, C.; Fu, L.; Zhu, J.; Yang, W.; Li, D.; Zhou, L. J. Mater. Chem. A 2018, 6 (16), 7123. doi: 10.1039/c8ta00346g

    7. [7]

      Ko, J.; Kang, S.; Cheong, H.-W.; Yoon, Y.-S. J. Korean Ceram. Soc. 2019, 56 (3), 233. doi: 10.4191/kcers.2019.56.3.05

    8. [8]

      Giagloglou, K.; Payne, J. L.; Crouch, C.; Gover, R. K.; Connor, P. A.; Irvine, J. T. J. Electrochem. Soc. 2018, 165 (14), A3510. doi: 10.1149/2.1231814jes

    9. [9]

      Jin, C.; Fu, L.; Ge, B.; Pu, X.; Li, W.; Zhou, L. J. Alloy. Compd. 2019, 800, 518. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.06.128

    10. [10]

      Liao, Z.; Fu, L.; Zhu, J.; Yang, W.; Li, D.; Zhou, L. J. Power Sources 2020, 463, 228237. doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.228237

    11. [11]

      Luo, Z.; Fu, L.; Zhu, J.; Yang, W.; Li, D.; Zhou, L. J. Power Sources 2020, 448, 227569. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.227569

    12. [12]

      Guo, S. N.; Guo, H.; Wang, X.; Zhu, Y.; Hu, J.; Yang, M.; Zhao, L.; Wang, J. J. Electrochem. Soc. 2019, 166 (15), A3599. doi: 10.1149/2.0371915jes

    13. [13]

      Xu, C.; Jin, C.; Wang, X.; Gong, X.; Yin, J.; Zhao, L.; Pu, X.; Li, W. Electrochim. Acta 2022, 401, 139496. doi: 10.1016/j.electacta.2021.139496

    14. [14]

      Hillel, T.; Ein-Eli, Y. J. Power Sources 2013, 229, 112. doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.11.128

    15. [15]

      Yang, Y.; Zhao, J. Adv. Sci. 2021, 8, 2004855. doi: 10.1002/advs.202004855

    16. [16]

      Roth, R. S.; Waring, J. L. J. Res. Natl. Bur. Stand. A Phys. Chem. 1966, 70A (4), 281. doi: 10.6028/jres.070A.025

    17. [17]

      Cava, R. J.; Murphy, D. W.; Zahurak, S. M. J. Electrochem. Soc. 1983, 130 (12), 2345. doi: 10.1149/1.2119583

    18. [18]

      Roth, R. S.; Wadsley, A. D. Acta Crystallogr. A 1965, 19 (1), 32. doi: 10.1107/S0365110X65002724

    19. [19]

      Roth, R. S.; Wadsley, A. D. Acta Crystallogr. A 1965, 19 (1), 38. doi: 10.1107/S0365110X65002736

    20. [20]

      Shen, C.; Jiang, S. N.; Ding, C. M.; Xue, W. S.; Xie, K. Y. T. Nonferr. Metal. Soc. 2022, 32 (11), 3679. doi: 10.1016/S1003-6326(22)66048-5

    21. [21]

      Stephenson, N. C. Acta Crystallogr. B 1968, 24 (5), 637. doi: 10.1107/S0567740868002979

    22. [22]

      Griffith, K. J.; Wiaderek, K. M.; Cibin, G.; Marbella, L. E.; Grey, C. P. Nature 2018, 559 (7715), 556. doi: 10.1038/s41586-018-0347-0

    23. [23]

      Yan, L.; Lan, H.; Yu, H.; Qian, S.; Cheng, X.; Long, N.; Zhang, R.; Shui, M.; Shu, J. J. Mater. Chem. A 2017, 5 (19), 8972. doi: 10.1039/C7TA01784G

    24. [24]

      程庆利, 张卫华, 陶彬. 物理化学学报, 2015, 31 (7), 1345. doi: 10.3866/PKU.WHXB201504271Cheng, Q. L.; Zhang, W. H.; Tao, B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31 (7), 1345. doi: 10.3866/PKU.WHXB201504271

    25. [25]

      尉瑞芳, 李东峰, 尹恒, 王秀丽, 李灿. 物理化学学报, 2023, 39 (2), 2207035. doi: 10.3866/PKU.WHXB202207035Wei, R. F.; Li, D. F; Yin, H.; Wang, X. L.; Li, C. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39 (2), 2207035. doi: 10.3866/PKU.WHXB202207035

    26. [26]

      Aurbach, D.; Levi, M. D.; Gamulski, K.; Markovsky, B.; Salitra, G.; Levi, E.; Heider, U.; Heider, L.; Oesten, R. J. Power Sources 1999, 81, 472. doi: 10.1016/S0378-7753(99)00204-9

    27. [27]

      Aurbach, D.; Levi, M. D.; Levi, E.; Teller, H.; Markovsky, B.; Salitra, G.; Heider, U.; Heider, L. J. Electrochem. Soc. 1998, 145 (9), 3024. doi: 10.1149/1.1838758

    28. [28]

      Bao, W.; Zhuang, Q.; Xu, S.; Cui, Y.; Shi, Y.; Qiang, Y. Ionics 2013, 19 1005. doi: 10.1007/s11581-012-0823-8

    29. [29]

      Zhuang, Q.-C.; Wei, T.; Du, L.-L.; Cui, Y.-L.; Fang, L.; Sun, S.-G. J. Phys. Chem. C 2010, 114 (18), 8614. doi: 10.1021/jp9109157

    30. [30]

      Zhuang, Q.; Xu, J.; Fan, X.; Dong, Q.; Jiang, Y.; Huang, L.; Sun, S. Chinese Sci. Bull. 2007, 52 (9), 1187. doi: 10.1007/s11434-007-0169-1

    31. [31]

      Holzapfel, M.; Martinent, A.; Alloin, F.; Le Gorrec, B.; Yazami, R.; Montella, C. J. Electroanal. Chem. 2003, 546, 41. doi: 10.1016/S0022-0728(03)00144-X

    32. [32]

      施王影, 贾川, 张永亮, 吕泽伟, 韩敏芳. 物理化学学报, 2019, 35 (5), 509. doi: 10.3866/PKU.WHXB201806071Shi, W. Y.; Jia, C.; Zhang, Y. L.; Lü, Z. W.; Han, M. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35 (5), 509. doi: 10.3866/PKU.WHXB201806071

    33. [33]

      崔同慧, 李航越, 吕泽伟, 王怡戈, 韩敏芳, 孙再洪, 孙凯华. 物理化学学报, 2022, 38 (8), 2011009. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011009Cui, T. H.; Li, H. Y.; Lü, Z. W.; Wang, Y. G.; Han, M. F.; Sun, Z. H.; Sun, K. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38 (8), 2011009. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011009

    34. [34]

      Yang, Y.; Zhu, H.; Xiao, J.; Geng, H.; Zhang, Y.; Zhao, J.; Li, G.; Wang, X.-L.; Li, C. C.; Liu, Q. Adv. Mater. 2020, 32 (12), 1905295. doi: 10.1002/adma.201905295

    35. [35]

      Koçer, C. P.; Griffith, K. J.; Grey, C. P.; Morris, A. J. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141 (38), 15121. doi: 10.1021/jacs.9b06316

    36. [36]

      Han, J.-T.; Goodenough, J. B. Chem. Mater. 2011, 23 (15), 3404. doi: 10.1021/cm201515g

    37. [37]

      卢晓霞, 董升阳, 陈志杰, 吴朗源, 张校刚. 物理化学学报, 2020, 36 (5), 1906024. doi: 10.3866/PKU.WHXB201906024Lu, X. X.; Dong, S. Y.; Chen, Z. J.; Wu, L. Y.; Zhang, X. G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36 (5), 1906024. doi: 10.3866/PKU.WHXB201906024

    38. [38]

      Takashima, T.; Tojo, T.; Inada, R.; Sakurai, Y. J. Power Sources 2015, 276, 113. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.11.109

    39. [39]

      Lin, C.; Wang, G.; Lin, S.; Li, J.; Lu, L. Chem. Commun. 2015, 51 (43), 8970. doi: 10.1039/C5CC01494H

    40. [40]

      Yu, H.; Cheng, X.; Zhu, H.; Zheng, R.; Liu, T.; Zhang, J.; Shui, M.; Xie, Y.; Shu, J. Nano Energy 2018, 54, 227. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.10.025

    41. [41]

      Yu, H.; Zhang, J.; Zheng, R.; Liu, T.; Peng, N.; Yuan, Y.; Liu, Y.; Shu, J.; Wang, Z.-B. Mater. Chem. Front. 2020, 4 (2), 631. doi: 10.1039/C9QM00694J

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  • 发布日期:  2025-05-15
  • 收稿日期:  2024-11-05
  • 接受日期:  2024-12-06
  • 修回日期:  2024-12-06
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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