Advanced cathode and electrolyte materials for high energy zinc air batteries

Abstract

2차 Zn-공기 전지는 매우 우수한 녹색 에너지 저장 기술을 위한 잠재적인 용량을 가지고 있습니다. 큰 이중 기능 과전위, 열악한 화학적 안정성 및 촉매의 기생 반응으로 인한 비가역적 부산물로 인한 느린 전기화학적 역학은 Zn-공기 배터리의 일반적인 실행에 대한 중요한 도전으로 남아 있습니다. 또한, 양극과 음극을 따라 열악한 이온 전도도, 수분 보유, 비호환 계면 반응이 전해질에 대한 주요 제한 사항입니다. 따라서 지구가 풍부한 자원과 적절한 전기화학을 갖춘 초이온성 전해질을 가진 견고한 이중 기능 음극의 합리적인 설계는 매우 어렵습니다. 1장에서는 차세대 Zn-공기 배터리의 로드맵, 작동 원리, 반응 역학, 과제 및 전략을 보고합니다. 2장에서는 밀도가 높은 단일 원자(예: Cu, Co, Fe) 상감 나노구체의 개발을 위한 쉽고 보편적인 접근 방식을 보여줍니다. 3차원 CuSA@HNCNx 촉매는 1286 m2 g-1의 강도 표면적을 나타내어 유망한 전자 및 원자 배위 구조, 화학적 산화 상태, 작동 질량 및 전하 이동 방향을 보여줍니다. CuSA@HNCNx는 ORR/OER 및 Zn-공기 배터리에 대해 뛰어난 산소 전기화학적 활성을 나타냈습니다. 3장에서는 널리 퍼진 실행 가능한 응용을 위한 알칼리, 산성 및 중성과 같은 보편적인 pH 범위에서 산소 촉매의 개발을 포함합니다. 이 장에서는 전자 프레임워크 변조 전략을 사용하여 가장자리 사이트, Co-C 사이트 구성 및 질소 흑연화 탄소 구조(FeCo SAs@Co/N-GC)와 함께 FeCo 단일/이중 원자를 강조하는 우선적으로 구성된 3상 계면 구조의 제작을 포함합니다. FeCo SAs@Co/N-GC는 pH 범용 전해질(특히 산성, 중성 및 알칼리성)에서 ORR 및 OER 반응에 대한 가역적 산소 활성, 동역학 및 화학적 내구성을 표시하며, 이는 반 데르 발스 상호 작용. 4장에서는 우수한 전극 계면 화학성, 개방 회로 전압 및 전력/에너지 밀도를 얻기 위한 Zn-공기 배터리용 초이온성 수성 및 고체 상태 전해질의 설계에 대해 논의합니다. 우리는 아연 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 및 아연 트리플루오로메탄설포네이트 염을 사용하여 거의 중성에 가까운 수성 전해질의 제조를 보고했습니다. 염 농도 및 그 반응 메커니즘에 대한 최적화가 입증되었습니다. 또한, 키토산 기능화된 바이오셀룰로오스 나노섬유 고체 전해질이 논의되었다. 보편적인 pH 범위(특히 알칼리성, 거의 중성 및 산성) 및 고체 상태 전해질에서 Zn-공기 배터리가 조립되어 이전에 보고된 Zn 및 기타 금속(Li, Al, Mg, Fe 등) 공기 배터리. 이 Zn-공기 배터리는 주변 조건에서 최첨단 공기 배터리보다 성능이 뛰어납니다. 5장에서는 실제 조건에서 고에너지 Zn-공기 배터리의 설계 및 제작과 상용 리튬 배터리 기술과의 비교를 보고합니다. 이 장에서는 Mn/Fe 이중 결합 헥사이미노벤젠 금속-유기 골격(Mn/Fe-HIB-MOF) 및 구리 포스포설파이드(CPS101) 음극을 준비하고 이들의 물리화학적 특성과 이작용성 산소 활성을 검증했습니다. 또한, FBN 전해질 기반 Zn-공기 배터리가 있는 Mn/Fe-HIB-MOF 음극은 3600사이클의 사이클 수명 동안 256Wh L-1의 가장 높은 체적 에너지 밀도를 나타냈습니다. 마지막으로, 우리는 -20 ~ 80 oC의 넓은 온도 범위에서 460 Wh kgcell–1 및 1,389 Wh l–1 밀도의 세계 획기적인 최고 비 및 체적 에너지를 갖는 암페어 아워 스케일 Zn-공기 파우치 셀을 설계했습니다. 이 결과는 리튬 기술을 넘어 고속 충전 고에너지 녹색 저장 기술에 대한 유망한 경로를 보여줍니다. 마지막으로 6장에서는 지금까지의 첨단기술을 활용한 이 작업의 요약과 결론을 제시한다. |Secondary Zn–air cells has a potential capacity for exceptionally superb green energy storage technologies. The sluggish electrochemical kinetics due to large bifunctional overpotentials, poor chemical stability, and irreversible byproducts inventing as of the parasitic reactions of the catalysts remains a significant challenge toward the prevalent execution of Zn-air batteries. Furthermore, poor ion conductivity, water retention, and incompatible interfacial reactions along the anodes and cathodes are the major restrictions for the electrolytes. Therefore, the rational design of robust bifunctional cathodes with earth-abundant resources and superionic electrolyte with appropriate electrochemistry is highly challenging. Chapter 1 reports the roadmap, working principles, reaction kinetics, challenges and strategies of the next generation Zn-air batteries. Chapter 2 demonstrates the facile and universal approach for the development of densely populated single-atoms (such as Cu, Co, and Fe) inlaid nanospheres of porous interconnected network structure with nitrogen-deficient carbon nitride frameworks (CuSA@HNCNx). Three-dimensional CuSA@HNCNx catalysts displayed heist surface area of 1286 m2 g-1, promising electronic and atomic coordination structures, chemical oxidation states, operational mass and charge transportation directions. The CuSA@HNCNx revealed outstanding oxygen electrochemical activities against ORR/OER and Zn-air batteries. Chapter 3 includes the development of the oxygen catalysts under universal pH range such as alkaline, acid, and neutral for prevalent viable applications. This chapter involves the fabrication of preferentially constructed triphasic interfacial structures highlighting the FeCo single/dual atoms along with edge sites, constitution of Co-C sites, and nitrogen graphitized carbon structures (FeCo SAs@Co/N-GC) with electronic framework modulation strategies. FeCo SAs@Co/N-GC displays reversible oxygen activities, kinetics, and chemical durability for ORR and OER reactions under the pH universal electrolytes (specifically acidic, neutral, and alkaline), which is well consistent with synergistic influence over triphasic interfaces due to van der Waals interactions. Chapter 4 discusses the design of superionic aqueous and solid-state electrolytes for the Zn-air batteries to obtain superior electrode interface chemistry, open circuit voltages, and power/energy densities. We reported the fabrication of near-neutral aqueous electrolytes using the zinc bis(trifluoromethanesulfonyl)imide and zinc trifluoromethanesulfonate salts. The optimization over salt concentrations and their reaction mechanism have been demonstrated. Further, the chitosan functionalized bio-cellulose nanofibrous solid electrolyte have been discussed. Zn-air batteries under universal pH range (specifically in alkaline, near-neutral and acidic) and solid-state electrolytes have been assembled and reported their stable operations, reversibility, energy densities compared to those of previously reported Zn and other metal (Li, Al, Mg, Fe etc.) air batteries. This Zn-air batteries outperforms the state-of-the-art air batteries in the ambient conditions. Chapter 5 reports the design and fabrication of high energy Zn-air batteries under realistic conditions and comparison with commercial Li-battery technologies. In this chapter, the Mn/Fe dual-linked hexaiminobenzene metal–organic framework (Mn/Fe-HIB-MOF) and copper phosphosulfide (CPS101) cathodes have been prepared and their physicochemical properties and bifunctional oxygen activities have been verified. Furthermore, the Mn/Fe-HIB-MOF cathode with FBN electrolyte based Zn-air batteries displayed highest volumetric energy density of 256 Wh L-1 over cycle life of 3600 cycles. Finally, we designed ampere hour scale Zn-air pouch cells with world breakthrough highest specific and volumetric energies of densities of 460 Wh kgcell–1 and 1,389 Wh l−1 over wide temperature range of -20 to 80 oC. This results show the promising pathways for fast-charging high energy green storage technology beyond the lithium technologies. Finally, chapter 6 reveals the summary and conclusions of this work with hi-tech technologies thus far.