【能源】用于钾离子电池的稳定锑-碳复合负极材料学术资讯

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进入21世纪以来，能源危机和传统能源利用所带来的环境污染两大不可回避的难题日益凸显，制约着人类社会的快速发展，发展高效清洁的可再生能源存储技术已经迫在眉睫。锂离子电池（LIBs）作为一种高效的电化学储能技术已成功开发并得到广泛的应用。然而，由于地壳中Li元素的自然丰度较低（0.0017 wt.%），在一定程度上影响了储锂电池的商用价格。在过去的几十年里，人们开始致力于地球上丰富而廉价的原料，用以逐步替代传统的LIBs。近年来，钠离子电池（SIBs）和钾离子电池（PIBs）因Na源和K源在地壳中丰度高（Na和K分别为2.36 wt.%和2.09 wt.%），因而受到广泛的关注。尤其对于PIBs，K/K+的氧化还原电位（-2.93V）低于Na/Na+（-2.71V），从而保证了储钾电池更高的工作电压和能量密度，有望成为新一代高能量密度和低成本电化学能储能系统。然而，由于PIBs具有较大的K+半径、较慢的反应动力学等特性，其应用仍然面临着极大的挑战。目前，关于高性能PIBs负极材料的报道主要集中在碳基材料上，而这些基于脱嵌反应机理的碳基负极的比容量普遍低于300 mAh/g，很难满足实际需求。对于合金类负极材料，由于其合金/去合金化反应机理，相比脱嵌式负极具有更高的理论比容量。值得注意的是，这种快速的合金/去合金过程容易导致电极材料较大的体积膨胀，使电极材料与集流体明显脱离，电池容量快速衰减。因此，如何通过合理的设计改进上述合金类负极的缺点是目前亟待解决的问题。

近日，马里兰大学的王春生教授和Michael R. Zachariah教授团队合作，通过静电纺丝技术结合氢气下热还原方法，成功研制了一种碳球导电网络（CSN）包覆Sb纳米颗粒的Sb@CSN复合负极材料。这种独特的微纳结构可以有效地缓解充放电过程中的体积膨胀，并为合金/去合金循环过程中快速电子传输提供了高导电性的通道。更加重要的是，研究人员将这种Sb@CSN负极材料首次应用于一种稳定的高浓盐储钾电解液（4M KTFSI/EC+DEC）体系，实验发现Sb@CSN负极表现出优异的储钾性能；在200 mA/g的电流密度下，电池即使经过220个循环依然可以维持504 mAh/g的高可逆容量。XPS刻蚀检测发现这归功于在4 M高浓盐电解液中更易形成致密的KF无机相SEI，从而有效抑制Sb在合金/去合金过程中的体积膨胀，也在一定程度上抑制钾金属与电解液间的副反应。第一原理计算和电化学表征证实了合金/去合金过程中形成的KSb2、KSb、K5Sb4和K3Sb的可逆顺序相变，揭示了电化学反应机理。该研究成果极大地促进基于合金类负极电化学储钾机理的深入了解，为下一代高性能钾离子电池合理开发高效的电解液体系提供了实验和理论依据。该成果近期发表在国际顶级期刊Energy & Environmental Science 上，文章的第一作者是郑晶博士和杨勇博士。

该论文作者为：Jing Zheng, Yong Yang, Xiulin Fan, Guangbin Ji, Xiao Ji, Haiyang Wang, Singyuk Hou, Michael R. Zachariah, Chunsheng Wang

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