【文章資訊】
基於鉀離子電池碳基負極資料初始庫倫效率的見解
第一作者:王波
通訊作者:袁飛,王偉
組織:河北科技大學,北京航空航太大學
【研究背景】
可充電鉀離子電池(PIBs)以其豐富的鉀儲量和較低的成本成為商品化鋰離子電池的潜在替代品。在關鍵負極資料方面,碳基資料因其低成本、高電導率以及靈活多變的結構而顯示出巨大的應用潜力。
然而,它們的進一步運用仍然面臨著一些瓶頸,尤其是低的初始庫倫效率(ICE),這嚴重制約了PIBs電池的能量密度。囙此分析可能造成顯著初始不可逆容量損失的原因並提出相應的改善策略來提高初始庫倫效率是極為必要的。
【文章簡介】
基於此,河北科技大學材料科學與工程學院王波教授科研團隊與北京航空航太大學空間與環境學院王偉教授團隊,在國際知名期刊Chemical Engineering Journal上發表題為“An insight into the initial Coulombic efficiency of carbon-based anode materials for potassium-ion batteries”的綜述文章。
該文章首先分析了現在造成碳基負極資料低初始庫倫效率的因素;然後從改善策略入手詳細闡釋了各種優化措施作用於ICE的機制並總結了近期以來的研究進展;最後,作者對後續開發高ICE、容量以及迴圈穩定性的碳基負極資料做了總結與展望。
圖1.引起碳基負極資料低初始庫倫效率原因以及解決方案。
【本文要點】
要點一:造成低初始ICE因素分析
通常碳基負極資料所展示的ICE僅為30%-60%,巨大的初始不可逆容量損失能够被歸因為電解質的不可逆分解來形成固體電解質界面膜(SEI),高比表面積/孔隙率所產生的副反應(電解質的額外消耗)以及表面含氧官能團/缺陷對鉀離子的不可逆捕獲(部分鉀離子不能參與後續充放電過程)等。
要點二:改善ICE策略分析
電極結構設計、缺陷工程、表面工程以及電解質/粘結劑優化可以顯著改善初始不可逆容量損失、提高ICE。
通過結構設計能够為電極資料體積膨脹/收縮提供緩衝空間從而能避免SEI膜反復破裂與形成,並且通過孔結構優化能顯著降低比表面積來减少副反應的形成,從而提高有效的提高了ICE。
通過調節碳化溫度以及優化的活化步驟來合理調控缺陷位點以及含氧官能團濃度能極大的减少不可逆鉀離子捕獲、提高去鉀化期間的活性鉀離子數量。
表面碳包覆工程則可以避免活性顆粒與電解液的直接接觸,防止了不可逆副反應的發生。對於電解質優化主要是是確保在初始放電過程中形成均勻且穩定的SEI膜以緩解電解液離子的持續消耗,同時優化的粘結劑則能在鉀化期間保證活性顆粒不與集流體脫離。
要點三:總結與展望
隨著科技的發展,眾多研究策略已經被報導來改善低ICE。但該領域依然存在著較多亟待解决的問題和機會。
首先,儘管降低比表面積、表面缺陷和官能團能明顯提高ICE,但充放電容量、倍率以及迴圈效能會被損害,尋求ICE和其他電化學參數之間的平衡依然十分重要。
其次,電解質優化與穩定SEI膜形成之間的作用機制需要結合一些原位/非原位的表徵科技進一步探究,以揭示兩者之間的本質聯系。
最後,當前ICE優化研究通常集中於單一策略的調控,結合多種單一策略的優勢進行綜合探究的報導較少,囙此需要給與更多的關注。此外,該研究同時也能為後續高性能碳負極資料的設計與合成提供一定的理論指導。
【文章連結】
An insight into the initial Coulombic efficiency of carbon-based anode materials for potassium-ion batteries
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131093
原文刊載於【科學資料站】公眾號
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