新型钾离子电池阳极:硫嫁接的空心碳材料
2019-06-25 13:18:00   来源:

作为目前最为成功的商业化离子电池,具有高储能密度、方便携带和长使用寿命的锂离子电池已经渗透到了人类生活的方方面面,但是目前锂离子电池的能量密度水平已经逐渐满足不了电动汽车和智能电网日益增长的需求,加之锂资源在地壳中的丰度(0.0017 wt%)及开采过程伴随的污染,这些限制迫使人们必须寻求更佳的离子电池。作为锂的同族元素,基于钠和钾的离子电池,无论是资源含量还是开采难度都优于锂,而相比于钠离子电池,钾离子电池具有更高的工作电压、更大的理论容量。此外,与Li+、Na+相比,K+具备更弱的路易斯酸性和更小的溶剂化半径,因此在电解液中的转移更容易进行。不过更高的质量与更大的离子半径使得钾离子电池在充放电过程中会引起严重的体积膨胀,进而对材料的结构造成损坏,因此发展更适合钾离子电池的电极材料对其商业化具有重要的意义。

近日,天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室的钟澄教授联手美国克拉克森大学的David Mitlin教授报道了一种适用于钾离子电池的阳极材料(SHCS,该材料通过原位硫化的方法将大量的硫(38 wt%)嫁接到具有空心结构的球形碳材料上,通过这种方式制备的杂化材料不仅具有40 nm左右的扩散距离,并且其结构中的C-S键可以有效地降低循环容量和库仑效率的衰减。该成果以“Sulfur-Grafted Hollow Carbon Spheres for Potassium-Ion Battery Anodes”为题发表于《先进材料》(DOI: 10.1002/adma.201900429)。

图1. 硫嫁接的空心碳基材料的制备流程

(图片来源:Adv. Mater.

作者首先通过水热法制备了表面含有间苯二酚(resorcinol, R)和甲醛(formaldehyde, F)的硅球SiO2@RF,之后通过研磨将硅球与硫粉充分混合便可以得到含有硫的硅球SiO2@RF@S,接着在450 ℃的高温下,硅球表面的间苯二酚和甲醛作为碳源进行碳化,与此同时,与碳材料混合的硫也随之与碳发生硫化反应,最后,经过硫化反应和碳化反应的硅球与氢氟酸反应去掉硅核心便可以得到具有空心结构的碳基材料(图1)。作者通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及高分辨率的透射电镜(HRTEM)表征图可以发现,去掉硅后,材料中的碳层形貌保存完整,整个空心碳球的尺寸在400 nm左右,而其中碳层的厚度约在40 nm左右。此外,基于高角度环形暗场-扫描透射电子显微镜(HAADF)图像和电子能量损失谱(EELS)表明,碳层中的氧元素和硫元素均一地分散在整个材料中(图2)。

重庆幸运农场平台图2。 硫嫁接的空心碳基材料的SEM、TEM、HRTEM、HAADF、EELS图

(图片来源:Adv. Mater.

接下来,作者通过电化学实验重点考察了SHCS作为电极材料的一些电池相关性能(图3)。结果表明,基于SHCS的电池在0.025 A/g的充放电条件下具有581 mAh/g的可逆容量,这是目前报道的钾离子电池中基于碳阳极材料中最高的,并且在多次充放电后,电极材料仍然能保有93%的容量。此外,基于SHCS的电池还具有理想的倍率性能(202, 160, and 110 mAh/g at 1.5, 3, and 5 A/g)。为了更好地体现出新材料的能量密度,作者对比了文献报道的和理论计算的一些碳基电极材料的数据,结果发现,SHCS作为阳极材料的电池表现出了最高的相对能量密度

 

图3。 基于SHCS材料电池的电化学性能

(图片来源:Adv. Mater.

全文作者:Jia Ding, Hanlei Zhang, Hui Zhou, Jun Feng, Xuerong Zheng, Cheng Zhong, Eunsu Paek, Wenbin Hu and David Mitlin。

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