共活化提升钾负极容量
更新时间:2024-06-06 12:08 发布者:admin

  钾的相对天然丰度和潜在的高能量密度使钾离子电池成为未来储能领域的一项有前景的技术。然而,钾离子电池中传统插层型负极通常具有较低的容量(石墨~279mAh/g),转换型负极通常表现出高的放电平台(0.8 V),导致了电池能量密度低。开发兼具高容量和低放电平台的负极是钾离子电池实现高能量密度的关键。

  湖南大学鲁兵安教授课题组报道了一种具有高容量低电压放电平台的铋-锡(Bi-Sn)复合钾离子电池负极

  。提出Bi和Sn之间可能的共激活机制,共活化后,Bi和Sn 能够同时储存3个钾离子形成K3Bi和K3Sn,突破了传统 Sn 只能储存 1 个钾离子的限制,有效提升了负极容量。

  (a)钾离子电池负极的现状及挑战;(b)共活化下Sn-Sn和Bi-Bi键长变化;(c) K3Sn的形成能和Sn相变需克服的能垒;(d)共活化下形成的钾化产物。

  湖南大学博士生奉艳红等通过快速还原法制备了Bi和Sn纳米混合物,均匀的纳米级别的混合实现了紧密交联的共活化界面。共激活降低了放电过程中钾化产物的形成能,增强了钾离子的反应动力学,促进了Sn的多电子反应并诱导了K3Sn的形成,从而打破了Sn在储钾方面以往的局限性。在Bi和Sn的协同作用下,Bi-Sn阳极表现出634 mAh/g的高储钾容量和 500 次的稳定循环,并具有 0.35 V的低放电平台。通过原位X 射线行射技术,半原位X射线光电子能谱技术 ,平衡电位模拟 ,自合成和放电态K3Sn 的X射线衍射验证,冷冻电镜 K3Sn 晶格检测 ,以及放电态的电感耦合等离子体光谱仪和选区电子衍射等多种检测手段深入研究了 Bi-Sn 负极的储钾机制,证明了共活化的钾化产物为 K3Sn 和K3Bi。此外,由Bi-Sn负极和普鲁士蓝正极组装的全电池也表现出长循环稳定性和出色的倍率性能,在2.9 V的高电压下,经400次持续循环后保持108 mAh/g的容量,每循环的衰减率仅为0.023%。

  (a)Bi-Sn负极充放电过程的平衡电位及其相变过程;(b)Bi-Sn负极储钾的原位XRD图;(c)不同放电状态下的Bi-Sn及0.01V下Sn负极的XPS光谱;(d-e)放电态SEI和K3Sn纳米晶的冷冻电镜图像。

  同时,该项研究结合理论计算和实验研究证明了,共活化降低形成能和增强金属离子储能具有普适性。该研究将为钾离子及其他金属离子(如Zn/Ca/Mg/Al)电池能量密度的提升提供启发。