文章資訊
針對鉀離子電池正極資料的高效鉀補償策略
第一作者:趙碩卿
通訊作者:解修强*,孫兵*,郭少軍*,汪國秀*
組織:悉尼科技大學,北京大學,湖南大學
研究背景
鉀離子電池因其較低的成本和還原電勢(-2.93V),被認為是極具應用潜力的新一代高能量密度大規模儲能設備。但是其電極資料,特別是正極資料很大程度上制約了鉀離子電池的進一步發展。
現時大多數研究所選用的層狀結構正極資料中鉀含量低(<0.6),因而首圈庫倫效率差强人意,往往需要工藝繁瑣的預鉀化流程,在新增了生產成本的同時存在較大的安全隱患。現時鉀離子電池的研究主要集中在半電池體系,全電池的探索尚處於初期階段。囙此解决上述難點,是推動鉀離子電池發展和應用的關鍵。
文章簡介
基於此,來自悉尼科技大學的汪國秀教授、孫兵博士後研究員與北京大學的郭少軍教授和湖南大學的解修强副教授合作,在國際知名期刊Energy & Environmental Science上發表題為“High-Efficiency Cathode Potassium Compensation and Interfacial Stability Improvement Enabled by Dipotassium Squarate for Potassium-ion Batteries”的研究文章。
該文章首次報導了一種簡單高效且成本低廉的鉀補償策略,成功提升了貧鉀層狀結構正極資料K0.5MnO2的電化學效能,並同軟碳負極資料結合,在沒有預鉀化的條件下保證所組裝的全電池能够正常工作,效能在現時所報導的鉀離子全電池中屬於領先水準。
本文要點
要點一:含鉀補償劑的製備與資料表徵
圖1.方酸鉀資料的掃描電鏡圖片以及XRD,Raman和XPS等表徵結果
本文選用方酸鉀(K2C4O4)作為鉀補償劑,成功實現了貧鉀正極資料電化學效能的提升。方酸鉀的製備流程簡單,通過液相反應即可獲得,並且不含其他雜質。
要點二:庫倫效率和動力學效能得到提升
圖2.方酸鉀補償劑的存在和含量對K0.5MnO2電極資料的電化學效能影響
圖3.方酸鉀補償劑對K0.5MnO2電極資料反應動力學的影響
具有最佳補償劑添加比例(9% K2C4O4)的K0.5MnO2電極資料表現出了優异的電化學效能,特別是接近於100%的首圈庫倫效率以及後續平均高達99.5%的庫倫效率,遠遠高於未添加補償劑的K0.5MnO2電極資料。此外,含有補償劑的正極資料迴圈和倍率效能都得到了提高。恒電流間歇滴定科技(GITT)測試結果表明,在較深充放電狀態下,補償劑的存在使得電極資料的反應動力學性能提升,避免出現了較大的極化。
要點三:薄且富含氟的電解質介面(CEI)
圖4.含方酸鉀補償劑的K0.5MnO2電極在首次充電前後的原位Raman和异比特TEM、XPS測試結果
原位Raman和异比特TEM、XPS測試結果表明,在首次充電過程中,方酸鉀會優先於電解液溶劑分解,產生的含氧中間產物能够有效延緩溶劑的過度分解,並同PF6-一起參與到CEI的形成,在電極表面上形成一層薄且氟含量較多的CEI層。方酸鉀的存在提升電極/電解液的介面穩定性,改善鉀離子在傳輸和擴散過程中的反應動力學。
要點四:無需預鉀化亦可正常工作的鉀離子全電池
圖5.方酸鉀補償劑對K0.5MnO2||軟碳全電池的電化學效能影響
得益於方酸鉀的存在,貧鉀層狀結構正極資料K0.5MnO2能够在首次充電過程中提供更多的鉀離子用於補償負極資料中不可逆的鉀損耗。將K2C4O4@K0.5MnO2正極同軟碳負極相匹配,在無需任何預鉀化處理的情况下,全電池能够正常工作,並表現出高於未含方酸鉀全電池三倍之多的能量密度和良好的迴圈穩定性,具有非常大的應用潜力。同時,這種簡單高效的鉀補償策略可進一步應用到其他貧鉀正極資料上,因而推動了鉀離子電池儲能體系的發展和實際應用。
文章連結
High-Efficiency Cathode Potassium Compensation and Interfacial Stability Improvement Enabled by Dipotassium Squarate for Potassium-ion Batteries
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/EE/D2EE00833E
通訊作者簡介
汪國秀教授
歐洲科學院院士,悉尼科技大學清潔能源科技中心主任,特聘傑出教授。汪教授致力於能源資料領域的研發,並在包括材料工程、材料化學、電化學能量儲存轉換、納米科技,先進資料的合成與製造等多個跨學科領域取得了優异的成果。汪教授主持完成二十多項澳大利亞基金委和工業界的項目。迄今為止,汪教授已發表SCI論文超過550篇,引用超過5萬餘次,h因數131。2018年全球資料和化學雙學科高被引科學家(Web of Science/Clarivate Analytics).2019和2020全球資料學科高被引科學家.英國皇家化學會會士(FRSC)和國際電化學學會會士(ISE fellow)。研究興趣:能源資料領域的研發,包括材料工程、材料化學、電化學能量儲存轉換、納米科技,先進資料的合成與製備。
郭少軍教授
北京大學長聘教授、博雅特聘教授,全球高被引科學家(連續7年;資料、化學),英國皇家化學會會士,國家傑出青年基金得主,中國高被引學者。長期致力於將國家重大需求與基礎研究相結合,重點研究燃料電池、氫能與儲能電池。發展了高性能原子、亞納米和納米催化資料設計的思想,提出了資料應變調控催化的新管道,有力推動了資料、化學和能源的交叉與融合。以通訊作者在Nature、Science和Nat.Rev.Mater.等高水准期刊發表學術論文150餘篇。所發論文被引5萬餘次,h因數124,入選斯坦福大學世界頂尖科學家(所有學科年度影響力世界排名2194名),連續多年入選愛思唯爾中國高被引學者。獲首届科學探索獎、中國青年科技獎、茅以升北京青年科技獎和中國化學會-英國皇安化學會青年化學獎。擔任Chem.Commun.、Sci.Bull.、Sci.China Mater.、eScience等10餘種雜誌的(顧問)編委。
孫兵研究員
受到澳大利亞研究委員會優秀青年基金(ARC DECRA)專案資助,在悉尼科技大學清潔能源研究中心從事研究工作。主要研究方向為新能源資料研發及應用,包括鋰離子電池正極資料,鋰空氣電池正極催化劑,金屬鋰/鈉負極複合材料設計。先後以第一作者和通訊作者身份在Nature Communications,Advanced Materials,Angewandte Chemie International Edition,Nano Letters,Advanced Energy Materials,Advanced Functional Materials等學術期刊發表多篇論文。
解修强副教授
湖南大學“嶽麓學者”,博士生導師。現時主要圍繞電極資料的器件化應用開展研究工作,主持國家自然科學基金青年項目、國家自然科學基金面上項目、湖南省創新人才計畫項目等。
第一作者介紹
趙碩卿,博士畢業於澳大利亞悉尼科技大學。主要研究方向為新一代具有高能量密度鋰離子電池,層狀富鋰正極資料,鉀離子電池電極資料和電解液。先後以第一作者身份在Energy & Environmental Science,Angewandte Chemie International Edition,Advanced Energy Materials,Advanced Functional Materials,Energy Storage Materials,Small等知名國際學術期刊上發表SCI論文18篇,h因數22,獲得2020年度“國家優秀自費留學生獎學金”。