核壳结构助力高性能钾离子存储学术资讯

背景介绍

随着风能、太阳能等可再生能源的迅猛发展，开发大规模储能系统迫在眉睫。锂离子电池（LIB）作为当下最受欢迎的储能技术，在发展大规模储能系统中被给予厚望。然而，由于锂资源储量有限且分布不均，使得LIB难以用于大规模储能。近年来，钾离子电池（PIBs）因K资源丰富、价格低廉和电极电位（K+ / K vs. SHE为−2.93 V）低，成为大规模储能的候选体系，正引起科学界的广泛关注。但是，由于钾离子半径较大(1.38 Å)，会导致反应动力学缓慢和体积膨胀。故目前PIBs面临的主要挑战之一是寻找合适的负极材料，可以稳定地容纳钾离子，实现可逆的快速插入/提取。

成果简介

香港城市大学张文军教授和中国科学技术大学陈乾旺教授合作，利用结构工程策略设计并制备出了硫掺杂碳包覆的硫化铋（Bi2S3@SC）核壳结构，促进了钾离子的高效稳定存储，其在50 mA•g−1 电流密度下可提供626 mA•h•g−11的比容量，在1000 mA•g−1时可提供268.9 mAh•g−1的良好倍率能力，与普鲁士蓝正极组装成全电池时，在50 mA•g−1的电流密度下经过50次循环后，仍可提供257 mA•h•g−1的高比容量。通过设计核壳结构，外层的碳壳不仅可以有效缓解充放电过程中Bi2S3核的膨胀、抑制其在反应过程中的粉化，而且还可以提高电极材料的导电性、保护电极避免其与电解液直接接触。此外，在原子尺度上，他们结合密度泛函理论（DFT）计算，研究了钾化动力学，并计算了钾离子的扩散路径，发现Bi2S3层与层之间的范德华力比较弱，钾离子可以快速地在Bi2S3层间扩散，其扩散能垒仅为0.54 eV。

图文导读