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磷基合金Sn4P3/C为钾离子电池带来曙光!

随着电子设备,电动车辆和大规模能量存储系统(ESS)的快速发展,对能量存储材料的需求也随之增长。虽然锂离子电池(LIB)目前应用最为广泛,但锂较低的储量显然不适于长久发展。钠离子电池(SIB),虽然钠的天然丰度较大,但较高的电位(相对于氢标),使其能量密度低于锂离子电池,由此限制了其潜在工业化应用。

钾离子电池(PIB),K与Na的丰度相近且具有相对低的电位,是未来高能量密度和低成本电池材料的绝佳候补。然而利弊参半,与钠离子相比钾离子较大的尺寸使得很难为其寻找合适的载体。最近,伍伦贡大学的郭再萍教授课题组通过常规和可扩展的球磨方法首次合成了一种高储钾性能的磷基合金Sn4P3/C负极材料。

磷基合金Sn4P3/C为钾离子电池带来曙光!

图1.Sn4P3/C粉末表征:(a)Sn/C和P/C的XRD图谱,(b)FESEM图像,(c)TEM图像,红色标示的Sn4P3/C纳米颗粒轮廓,(d)红色区域(插图)HRTEM图像和FFT图谱,(e)Sn4P3/C的SAED图谱和(f-i)EDS图。

电化学性能测试表明:在50mA/g的电流密度下可输出384.8mA/g的容量,即使在1A/g下可逆容量仍达221.9mAh/g,这是迄今为止所报到过的电化学性能最好的PIB负极材料。此外由于其还原电位(0.1V)高于SIB(0.01V),因此K合金化反应的电位要比Na的合金化电位更高,从而削弱了枝晶生长的能力具有较低的短路风险。

磷基合金Sn4P3/C为钾离子电池带来曙光!

图2. (a)Sn4P3/C在PIBs中和(b)SIBs中以0.05mV/s速率的前五圈的循环伏安(CVs)。Sn4P3/C在PIBs(c)和SIBs(d)中以50mA/g电流密度下首次、第二次,以及第三次充放电曲线。Sn4P3/C,Sn/C和P/C电极在PIBs中以50mA/g电流密度的循环性能测试。(f)Sn4P3/C电极在PIBs中从50到1000mA/g电流密度进行倍率性能测试。(g)Sn4P3/C负极和其他报道的PIBs负极倍率容量性能。

此外,作者通过一系列表征手段,探明了其电化学性能优异的根本原因:

首先,FESEM和TEM测试表明球磨所制备的Sn4P3/C是有许多均匀分布在无定型碳基质中的Sn4P3晶粒组成,其可以作为缓冲剂以抑制钾合金化期间的体积变化,保证电极的结构完整性并增强导电率、改善循环性能。其次,非原位XRD测试表明,通过转化和合金化反应Sn4P3/C钾化/去钾化是部分可逆的。

Wenchao Zhang, Jianfeng Mao, Sean Li, Zhixin Chen, and Zaiping Guo, Phosphorus-Based Alloy Materials for Advanced Potassium-Ion Battery Anode, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139 (9), pp 3316–3319, DOI: 10.1021/jacs.6b12185

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参考文献:J. Am. Chem. Soc.

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