1. 首页
  2. 电解质

有机负极与醚基电解液协同作用造就高储钾性能

能源学人

大型电能存储设备广受关注,钾离子电池(KIBs)作为一种新兴的电池系统,成为有希望的候选者。K+/K氧化还原电位为-2.93V vs NHE,低于Na+/Na(-2.71V),接近Li+/Li(-3.04V)。因此,相对于钠离子电池,理论上钾离子电池可以提供更高的开路电压和能量。其次,碱金属离子中K+具有低的路易斯酸性,确保其在电解液和电极/电解液界面具有高的迁移数和流动性,使钾离子电池具有更快的动力学。且钾元素含量丰富,存量接近于钠。然而,钾的活性高于Li和Na,电池循环中易形成K枝晶,带来更严重的危险,因此开发适宜的负极材料对于钾离子电池而言是至关重要的。

有机负极与醚基电解液协同作用造就高储钾性能

图1.(a) K2TP的合成以及K+脱嵌示意图,(b) K2TP带有两个负电荷的HOMO图,(c) K4TP的最优结构

 

近期,南开大学陈军教授课题组在钾离子电池负极方面取得显著进展,合成了高性能有机负极材料对苯二酸钾(K2C8H4O4,K2TP),并采用乙二醇二甲醚(DME)作为溶剂。K2TP是一个典型的层状结构,K+可以在其两个共轭羧酸盐基团上可逆的嵌入和脱出;相应的DME基电解液可以在K2TP表面形成稳定的SEI膜K2TP和DME基电解液的协同作用,使得K2TP表现出优异的钾离子存储性能,且平台电位0.6V,避免了K枝晶的生成。该成果发表在国际著名期刊Energy Environ. Sci.(IF:25.427)。

有机负极与醚基电解液协同作用造就高储钾性能

图2.K2TP在0.1-2V电压窗口下的电化学性能。(a) 0.1mV/s扫速下CV曲线,(b) 50mA/g电流密度下的充放电曲线,(c) 倍率性能,(d) 200mA/g电流密度下的充放电曲线,(e) 200mA/g电流密度下的循环性能,(f) 1000mA/g电流密度下的循环性能

 

电化学性能测试:倍率性能,在50, 100, 200, 500, 1000mA/g电流密度下,其比容量分别为261, 249, 229, 202, 185mAh/g。循环性能,在200mA/g电流密度下循环100次后,比容量为229mAh/g,库伦效率为100%。在1000mA/g电流密度下循环500次,其比容量为194mAh/g,容量保持率为94.6%,库伦效率~100%;且循环后电极的SEM表明,经过500次循环后电极依然保持完整,没有破裂。优异的循环可逆性和倍率性能归因于其柔韧的层状分子结构,K+在迁移通道中高的迁移数和流动性,快速的迁移动力学,以及稳定的SEI膜

 

有机负极与醚基电解液协同作用造就高储钾性能

图3.(a,b) K2TP电极在1000mA/g电流密度下的循环500次后SEM,(c) K2TP电极的TEM,(d) 不同循环下的EIS,(e) K2TP电极在不同扫速下的CV,(f) 峰电流与扫速平方根的关系

 

有机负极与醚基电解液协同作用造就高储钾性能

图4. K2TP电极在50mA/g电流密度下不同电解液中的电化学性能。(a,b) 0.8M KPF6/EC/DEC (1:1),(c,d) 1M KPF6/EC/PC (1:1),(e,f) 1M KPF6/PC

 

随后,为了了解DME基电解液中SEI膜对K2TP电极性能的关键作用,作者对比了K2TP在DME基电解液与碳酸酯类电解液中的电化学性能,结果发现在碳酸脂类电解液中电化学性能受到限制。作者指出,在循环期间在碳酸脂类电解液中形成的SEI膜比DME基电解液中的SEI膜更厚,导致高的电荷转移电阻和低的库仑效率,作者也通过电化学阻抗进一步对其进行了验证。随后,作者通过对CV测试研究了DME基电解液中K+在SEI膜和K2TP电极间的迁移。发现在不同扫速下都呈现出相应的氧化还原峰,且峰电流与扫速的平方根成正比,表明充放电过程是法拉第过程,且受限于K+的扩散。作者利用非原位FTIR和XPS揭示了K2TP电化学反应过程中的可逆性和反应机理,发现K2TP中羧酸盐基团是可逆的电化学反应的氧化还原中心,如图1所示。

 

有机负极与醚基电解液协同作用造就高储钾性能

图5.(a) K2TP电极在不同充放状态下的非原位FTIR,(b) C1s, (c) O1s, (d) F1s, (e) P1s非原位XPS,充电状态下(f) F, (g) P元素面谱

 有机电极材料给KIBs电极设计提供了一种创新策略,打破了传统脱嵌机理的束缚。有机化合物具有结构多样性,分子操作性,无毒性和资源可再生性也给这种新电池系统的发展提供了机会。

 

材料制备过程

1.935g氢氧化钾溶解在40mL蒸馏水中,50℃下加入1.73g对苯二甲酸,90℃下加入无水乙醇,然后回流12h,用乙醇过滤洗涤,150℃真空干燥,获得K2TP材料。

电解液为1M KPF6 乙二醇二甲醚(DME)溶液。

参考文献及声明

Kaixiang Lei, Fujun Li, Chaonan Mu, Jianbin Wang, Qing Zhao, Chengcheng Chen, Jun Chen, High K-storage performance based on the synergy of dipotassium terephthalate and ether-based electrolytes, Energy Environ. Sci., 2017, 10, 552, DOI: 10.1039/c6ee03185d

 

本文由能源学人编辑energist发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/12206.html

参考文献:

联系我们

15521390112

邮件:nyxrtg@163.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code