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中科院深圳先进技术研究院刘齐荣副研究员：珊瑚状无粘结剂碳纳米线用于优异倍率性能与长循环寿命的钾基双离子电池

已有 981 次阅读 2022-4-7 19:15 |系统分类:论文交流

导读

近日，Green Energy & Environment期刊在线发表了中科院深圳先进技术研究院唐永炳研究员团队在钾基双离子电池的最新研究成果。该工作构建的珊瑚状氮掺杂自支撑碳纳米线不仅具有多孔纳米结构，还具有短程有序的特性，赋予了其在储钾过程中优异的结构稳定性，同时促进了钾离子的传输以及活性位点的充分利用，为开发高性能钾基双离子电池负极材料提供了新思路。

图文解读

目前，锂离子电池（LIBs）在充电电池市场占据主导地位，但锂资源稀缺且地域分布不均，阻碍了其进一步发展。钾（2.4 wt% vs. 0.0017 wt% 的锂）、小的斯托克斯 K⁺ 离子半径（1.25 Å vs. Li⁺的2.38 Å）和低 K/K⁺ 氧化还原电位（-2.93 V vs. SHE)，钾离子电池（KIBs）被认为是一种很有前途的大型储能装置替代系统。此外，基于由阴离子（PF₆^-、FSI^-、TFSI^-等）嵌入/脱嵌化学诱导的石墨正极材料，钾基双离子电池（KDIBs）被赋予了一些具有工作电压高、环境友好、成本低等优点。然而，随着K⁺离子的嵌入，过度的体积变化（~60%）通常会导致石墨的不可逆变形负极，导致较差的循环性能和较差的倍率性能。具有3D多孔特征和杂原子掺杂的碳纳米结构已被证明是KIBs的潜在替代负极材料。然而，由于要求在添加导电剂、粘合剂和集流体后，相对较高的非活性质量会导致这些纳米材料的总体比容量较低。因此，希望利用具有稳健结构稳定性和无粘合剂优点的多孔碳纳米结构来最大化活性组分的比例并提高它们的机械柔韧性。在最新的这项研究中，唐永炳研究员团队设计了掺氮的珊瑚状碳纳米线（CCNW）作为K⁺离子存储的无粘合剂负极，获得的CCNW负极具有3D多孔纳米结构、无定形/短程有序复合结构和高N掺杂，使CCNW负极不仅具有优异的结构稳定性，而且与电解质充分接触，从而促进离子转移在钾化/去钾化过程中。此外，将这种CCNW阳极与环境友好的膨胀石墨正极相匹配，构建了一个概念验证的KDIB，实现了倍率性能与稳定性的显著提升。

图1. 所制备的CCNW样品的形态、物理特征和化学成分。

所制备的珊瑚状无粘结剂碳纳米线CCNW负极具有良好的柔韧性，并具有3D多孔纳米结构、无定形/短程有序复合结构和高N掺杂的特性。

图2. CCNW负极电化学储钾性能分析。

由于上述的特殊的物理化学结构特性，CCNW负极表现出优异的储钾倍率性能与循环稳定性能，2 mA g^-1倍率下容量保持175 mAh g⁻¹，1000次循环后容量保持率为93%。

图3. CCNW负极长循环后结构稳定性分析。

在长循环储钾过程中，CCNW负极具有杰出的结构稳定性，钾离子的嵌入/脱出并没有损坏CCNW负极的结构特性。

图4. CCNW负极储钾行为及动力学分析。

进一步的储钾动力学分析表明，CCNW负极优异的储钾动力学，主要归因于3D多孔结构、短程有序结构及氮掺杂的协同作用，赋予了CCNW负极电容/扩散杂化的储钾机理，缓解了储钾过程中钾离子嵌入/脱出带来的应力/应变效应，同时改善了电荷的传输效率。

图5. CCNW||EG钾基双离子全电池工作机理分析。

将CCNW阳极与环境友好的膨胀石墨（EG）正极相匹配构建钾基双离子全电池，机理研究表明，阴离子能够在石墨正极进行有效的可逆插层，验证了构建钾基双离子全电池的可行性。

图6. CCNW||EG钾基双离子全电池电化学性能分析。

进一步的电化学测试表明，该CCNW||EG钾基双离子全电池表现出优异的倍率性能与循环稳定性，1000次循环后容量几乎无衰减，且表现出优异其它已报道的钾基双离子电池性能。

文章信息

本文以“Coral-like and binder-free carbon nanowires for potassium dual-ion batteries with superior rate capability and long-term cycling life”为题发表在Green Energy & Environment期刊，第一作者为硕士生王敏，通讯作者为中科院深圳先进技术研究院唐永炳研究员和刘齐荣副研究员。