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孫學良/康俊/張亮EnSM: -10~40 °C寬溫度范圍穩定運行的高容量鋰硫電池

通過電催化促進多硫化物轉化是抑制鋰硫 (Li-S) 電池穿梭效應的一種有前景的策略，但由于循環過程中連續形成Li₂S鈍化層，電催化劑中的活性位點逐漸鈍化，這使得實現硫物質的穩定轉化具有挑戰性。

在此，蘇州大學張亮教授、北京計算科學研究中心康俊研究員及加拿大西安大略大學孫學良教授等人提出了一種反應性Li₂S與Fe₃C雙向電催化劑的協作策略，以實現硫物質的快速連續轉化，從而顯著提高Li-S電池的性能。

在還原過程中，通過合理設計Fe₃C@泡沫碳/S-碳纖維正極（Fe₃C@FC/S-CF）實現活性Li₂S在Fe₃C表面沉淀，不僅縮短了離子/電子擴散路徑，而且暴露并保留了Fe₃C中更多的活性位點。而在接下來的氧化過程中，Fe₃C還促進了反應性Li₂S的分解，使電催化劑表面煥然一新。

圖1. Fe₃C@FC復合材料的制備過程及表征

因此，綜合實驗和理論計算結果表明，Fe₃C的高催化活性在整個充放電過程中保持良好，實現了硫物種的快速氧化還原轉化。最終，通過制備的Fe₃C@FC/S-CF 正極，首次在寬溫度范圍（-10~40°C）下實現了高面積容量（> 6.0 mAh cm^-2）的Li-S電池。

此外在室溫條件下，在約8 μL mg^-1的低 E/S 比和16.1 mg cm^-2的高硫負載下，Li-S電池在70次循環后仍保持10 mAh cm^-2的高面積容量。這項研究成功地實現了反應性Li₂S與雙向電催化劑的結合，在實際條件下極大地提高了Li-S電池的電化學性能。

圖2. Fe₃C@FC/S-CF和FC/S-CF正極的電化學表征

Achieving Reversible Precipitation-Decomposition of Reactive Li₂S towards High-Areal-Capacity Lithium-Sulfur Batteries with a Wide-Temperature Range, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.10.035

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