IN-SITU RAMAN SPECTROSCOPY STUDY OF LITHIUM-AIR BATTERY WITH BI-CONTINUOUS SERS-ACTIVE ELECTRODE AND MEMBRANE

双连续拉曼活性电极和膜锂空气电池的原位拉曼光谱研究

基本信息

  • 批准号:
    1706681
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 30万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-08-01 至 2022-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

1706681 PI: Zhu, Yu Institution: University of AkronLithium-air batteries are promising high-density energy storage systems. The theoretical energy density of lithium-air batteries is comparable with that of gasoline. However, the current lithium-air battery systems suffer from slow and irreversible electrochemical reactions on the cathode and in the electrolyte solution. A fundamental understanding of the reactions taking place in these systems is essential for designing better electrodes and electrolytes that improve energy storage capacity and the number of cycles before battery replacement. The experimental investigations seek to monitor in real time chemical species on the cathode of lithium-air batteries to provide a better understanding of the chemical reaction mechanisms that can lead to improved battery designs.The proposal aims at exploring the reactions taking place on the cathode of lithium-air batteries using in-situ Raman spectroscopy. The use of polymer templates to fabricate well- organized bi-continuous electrodes made of pristine chemical vapor deposited graphene, gold, or transition metal interstitial compounds is proposed. To enhance the Raman signal, the bi-continuous electrodes will be modified by the adsorption of uniform and regularly assembled gold nanoparticles using either controlled evaporation or template masking. The modified electrodes may allow the detection of trace intermediate compounds by surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). In order to detect the intermediates and products formed in the electrolyte solution, a SERS-active insulating membrane with similar structure as the electrode will be applied to the assembled lithium-air battery. A suite of characterization tools (including Raman, FTIR, TEM, XPS, and XRD) will enable investigation of the materials on the air-cathode and electrolyte solution. Of particular interest are intermediate compounds formed during the charging and discharging processes that will enable addressing fundamental material challenges associated with electrolyte/electrode stability. The studies may provide an improved understanding of lithium-air battery cathode reaction mechanisms and may lead to engineering solutions for high performance, reversible lithium-air batteries. In addition to the training of graduate and undergraduate students, outreach efforts are proposed that will include a Science Olympiad weekend for students in grades 4-6 and activities through the ACS SEED program targeting economically disadvantaged high school students in the Akron, OH, area.
1706681彼:朱,余研究所:阿克伦大学锂-空气电池是很有前途的高密度储能系统。锂空气电池的理论能量密度与汽油相当。然而,目前的锂-空气电池系统在正极和电解液中存在缓慢且不可逆的电化学反应。从根本上了解这些系统中发生的反应对于设计更好的电极和电解液至关重要,这些电极和电解液可以提高储能能力和更换电池之前的循环次数。实验研究旨在实时监测锂空气电池正极上的化学物种,以更好地了解有助于改进电池设计的化学反应机理。该提议旨在利用原位拉曼光谱来探索锂空气电池正极上发生的反应。提出了使用聚合物模板来制备结构良好的双连续电极,该电极由原始的化学气相沉积的石墨烯、金或过渡金属间隙化合物制成。为了增强拉曼信号,将通过控制蒸发或模板掩蔽来吸附均匀且规则组装的金纳米颗粒来修饰双连续电极。修饰后的电极可通过表面增强拉曼光谱(SERS)检测痕量中间化合物。为了检测电解液中形成的中间体和产物,将结构类似于电极的SERS活性绝缘膜应用到组装的锂空气电池中。一套表征工具(包括拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱、透射电子显微镜、X射线光电子能谱和X射线衍射仪)将使研究空气阴极和电解液上的材料成为可能。特别令人感兴趣的是在充电和放电过程中形成的中间化合物,这些化合物将能够解决与电解液/电极稳定性相关的基本材料挑战。这些研究可能有助于加深对锂-空气电池正极反应机理的理解,并可能为高性能、可逆的锂-空气电池提供工程解决方案。除了对研究生和本科生的培训外,还建议开展外展活动,包括为4-6年级的学生举办科学奥林匹克周末活动,并通过ACS SEED计划开展针对俄亥俄州阿克伦地区经济困难的高中生的活动。

项目成果

期刊论文数量(11)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Microwave Processed, Onionlike Carbon and Fluoropolymer Passivated Lithium Metal Electrode for Enhanced Li Stripping/Plating Performance
  • DOI:
    10.1021/acsaem.9b01416
  • 发表时间:
    2019-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Kewei Liu;Yanfeng Xia;Chung-fu Cheng;Xuhui Xia;Feng Zou;B. Vogt;Yu Zhu
  • 通讯作者:
    Kewei Liu;Yanfeng Xia;Chung-fu Cheng;Xuhui Xia;Feng Zou;B. Vogt;Yu Zhu
Metal-organic frameworks (MOFs) derived carbon-coated NiS nanoparticles anchored on graphene layers for high-performance Li-S cathode material
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Feng Zou;Kewei Liu;Chung-fu Cheng;Yijie Ji;Yu Zhu
  • 通讯作者:
    Feng Zou;Kewei Liu;Chung-fu Cheng;Yijie Ji;Yu Zhu
A room-temperature ionic liquid-based superionic conductive polymer electrolyte with high thermal stability for long-cycle-life lithium batteries
  • DOI:
    10.1007/s00396-022-05026-5
  • 发表时间:
    2022-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Wenfeng Liang;Yuhan Zhang;Run Yang;Yu Zhu
  • 通讯作者:
    Wenfeng Liang;Yuhan Zhang;Run Yang;Yu Zhu
A high-performance lithium-ion capacitor with carbonized NiCo2O4 anode and vertically-aligned carbon nanoflakes cathode
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2019-11-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    20.4
  • 作者:
    Cheng, Chung-Fu;Li, Xiang;Zhu, Yu
  • 通讯作者:
    Zhu, Yu
A 4 V Cathode Compatible, Superionic Conductive Solid Polymer Electrolyte for Solid Lithium Metal Batteries with Long Cycle Life
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Liang, Wenfeng;Shao, Yunfan;Zhu, Yu
  • 通讯作者:
    Zhu, Yu
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Two novel two-dimensional cluster polymers {[NMe4]2[MOS3Cu3(μ2-I)3]} (M=Mo,W): synthesis, crystal structure and interesting optical alternation from self-defocusing to self-focusing
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • 期刊:
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