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bet98傅亿堂-博艺堂手机版98-首页化科院周小四教授课题组在钾离子电池负极材料方面取得系列重要研究进展

锂离子电池作为智能手机、电动汽车等现代移动设备的主要电源已经发展的非常成熟。然而,锂资源储量有限和地域分布不均的问题极大地阻碍了锂离子电池在大规模储能中的应用。为了应对锂资源的持续消耗,寻找锂离子电池的替代储能装置对于大规模应用至关重要,开发资源丰富且成本低廉的储能装置有望解决当前锂离子电池的局限性。考虑到原材料成本和电解质中的快速离子传输动力学、钾的低标准还原电位、较小的溶剂化离子和适当的插层电位等优势,钾离子电池是下一代储能设备非常有前途的候选者。虽然石墨负极可以应用,但能量密度仍难以满足商业化应用的需求。因此,设计合成长寿命、可快速充放电且具有高能量密度的钾离子电池负极材料意义重大。最近,bet98傅亿堂-博艺堂手机版98-首页化科院周小四教授课题组在在钾离子电池负极储能材料领域进行深入研究,取得一系列重要研究进展。

成果(1):通过一种简易的两步合成法将超小的SnTe纳米颗粒与多层石墨烯片复合(SnTe/MGS),从而得到理想的钾离子电池负极材料。相关成果以“A highly stable potassium-ion battery anode enabled by multilayer graphene sheets embedded with SnTe nanoparticles”为题发表在Chemical Engineering Journal上(Chem. Eng. J. 2022, 135100)。Chemical Engineering Journal是具有国际影响力的SCI核心期刊,影响因子为13.273。

SnTe是一种典型的窄带隙IV-VI族半导体材料,其带隙能为0.18 eV,由于其独特的热力学和电子特性,已被广泛用于制造相变存储材料、太阳能电池和红外器件等。SnTe具有典型的层状结构,可以促进K+的快速扩散。此外,Sn和Te都可以与大量钾离子形成合金,这有助于SnTe拥有高理论容量。SnTe的密度远高于其它Sn基化合物(6.445 g cm?3),因此在应用于钾离子电池负极时表现出更大的体积比容量。上述优点表明,SnTe是一种非常有前途的钾离子电池的高容量高稳定性负极材料。然而,根据对当前已有文献的调查,尚未有关于其作为钾离子电池负极材料的研究。

在本文中,通过两步高能球磨将SnTe纳米颗粒均匀地限制在多层石墨烯片中。SEM、TEM和BET分析显示该复合物拥有相互交错的多孔结构,这种结构可以提供足够的活性位点并缓解循环过程中电极材料的体积变化。CV和非原位XRD结果验证了负极材料具有转化和合金反应相结合的两步K+储存机制。GITT、EIS测试和DFT计算证明了SnTe/MGS出色的离子和电子传输动力学。因此,所制备的SnTe/MGS负极具有优良的K+存储性能,包括良好的倍率性能(0.1 A g?1时比容量为345.7 mAh g?1,2 A g?1时为180.1 mAh g?1)以及稳定的循环性能(0.5 A g?1电流密度下经1000次循环后的可逆容量为279.4 mAh g?1)。还应该强调的是,本文首次将SnTe用作钾离子电池的负极,为高稳定性的钾离子电池提供了一种有前途的负极材料。bet98傅亿堂-博艺堂手机版98-首页化科院19级博士生杜忆忱是该论文的第一作者,bet98傅亿堂为唯一通讯单位,周小四教授和包建春教授为共同通讯作者。

成果(2):通过高能球磨法将超小的Sn4P3纳米颗粒包埋在多层石墨烯片层(MGS)中,得到Sn4P3/MGS复合材料,并将其用于钾离子电池负极材料。相关成果以“Sn4P3nanoparticles confined in multilayer graphene sheets as a high-performance anode material for potassium-ion batteries”为题发表在Journal of Energy Chemistry(J. Energy Chem. 2022 413?421)上。Journal of Energy Chemistry是bet98傅亿堂国具有国际影响力的SCI核心期刊,影响因子为9.676。

XRD测试结果显示Sn4P3/MGS-80复合物对应菱形Sn4P3相(JCPDS card No. 71-2221)。扫描电镜和透射电镜分析显示Sn4P3/MGS-80为小且厚的片层结构,而超小的Sn4P3纳米颗粒均匀地分布在片层中间。此外,d间距为0.34 nm的晶格条纹对应于菱形Sn4P3的(012)晶面,进一步证实了Sn4P3的高纯度相。EDX元素分布图则表明Sn和P元素均匀地分布在多层石墨烯片层中。均匀分散的Sn4P3纳米颗粒和石墨烯包覆层互相接触形成三维网络结构,这种结构不仅可以有效的缓解材料在循环过程中的体积变化,还为离子和电子提供了连续的传输路径,极大的改善了储钾性能。并且二元合金Sn4P3结合了Sn和P的优势,同时拥有较高的理论比容量和电子导电性。高导电性的多层石墨烯片既提高了材料的整体导电性,还极大的缓解了Sn4P3的聚集,有力地改善了负极材料的动力学过程。

得益于Sn4P3纳米颗粒和多层石墨烯片之间的协同作用,该复合物在作为钾离子电池负极时在0.1 A g?1的电流密度下经100圈循环后比容量为393.3 mAh g?1,当电流密度提高到2 A g?1,其比容量仍有215.7 mAh g?1。同时,Sn4P3/MGS-80电极还表现出优异的超长循环稳定性,经1000圈循环后,该电极的比容量仍稳定在245.5 mAh g?1,容量保持率为76.6%。bet98傅亿堂-博艺堂手机版98-首页化科院19级博士生杜忆忱是该论文的第一作者,bet98傅亿堂为唯一通讯单位,周小四教授和包建春教授为共同通讯作者。

成果(3):通过简便的溶剂热法和随后的新型低温硫化工艺制备了嵌入中空碳纳米球的超小Fe7S8纳米晶体(Fe7S8@HCSs)。Fe7S8@HCS复合材料凭借精致的中空纳米结构、超小活性粒径和导电碳基体,表现出优异的储钾性能。相关成果以“Implantation of Fe7S8Nanocrystals into Hollow Carbon Nanospheres for Efficient Potassium Storage”为题发表在Journal of Colloid and Interface Science上(J. Colloid Interface Sci.2022, 840?848)。Journal of Colloid and Interface Science是国际知名学术期刊,影响因子为8.128。

SEM和TEM图像揭示了所合成的Fe7S8@HCSs详细的形貌和微观结构,其表现出明确的球形结构和均匀的尺寸分布,直径约为670 nm。外壳和中心空隙之间存在的颜色深度对比清楚地阐明了产物的中空属性。更高倍数的TEM图像则显示出许多超小的纳米粒子(~10 nm)分布在中空碳球中,并且表现出高度的均匀性和分散性。使用HRTEM进一步表征Fe7S8@HCSs的晶体结构,结果显示其特征层间距约为0.207 nm,与Fe7S8的(402)晶面间距相匹配。Fe7S8@HCSs的相关EDX元素映射图清楚地表明C、S和Fe的均匀分布,重量比分别为9.1%、35.2%和55.7%。

由于超细的Fe7S8纳米颗粒和精细的中空碳纳米结构,Fe7S8@HCS电极表现出显著增强的钾离子储存能力。具体来说,Fe7S8@HCS电极显示出非常可观的可逆容量(523.2 mAh g?1,0.1 A g?1,100次循环),出色的倍率性能(176.7 mAh g?1,5 A g?1)和高达500次的长循环稳定性(235.5 mAh g?1,0.5 A g?1)。bet98傅亿堂-博艺堂手机版98-首页化科院21级博士研究生徐一帆是该论文的第一作者,bet98傅亿堂为第一通讯单位,周小四教授和孙冬梅教授为共同通讯作者。

  • 更新时间

    2022年03月03日 10:06

  • 阅读量

  • 供稿

    化科院

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