西安科技大学刘欢课题组:超薄壁介孔炭中的快速钾迁移实现高性能储钾及其作为不可燃钾离子电容器负极的研究

西安科技大学刘欢课题组:超薄壁介孔炭中的快速钾迁移实现高性能储钾及其作为不可燃钾离子电容器负极的研究

【研究背景】

与Li+和Na+相似,K+同样可作为载流子以实现电化学储能,此外,钾元素分布广泛且成本低廉,故钾离子基电化学储能器件(Potassium-Ion based Electrochemical Energy Storage Devices,PIEESDs)是目前新兴的低成本电化学储能技术。然而,储钾负极材料通常因较大的体积膨胀及缓慢的动力学特征而表现出较差的循环稳定性及倍率性能,这些问题限制了PIEESDs的进一步发展与储能应用。因此,基于钾离子的特点,有针对性的设计储钾负极材料是提升储钾性能的有效策略。

 

【工作介绍】

近日,西安科技大学刘欢副教授课题组等人以中间相沥青为碳源设计制备了具有超薄骨架的介孔炭材料(Mesoporous Carbon with Ultrathin Framework, MCUF),以实现稳定、高效的储钾性能。独特的超薄碳壁和发达的介孔结构可协同缓冲储钾过程中的体积变化并促进钾的快速扩散,从而获得优异的储钾循环性能和倍率性能。通过深入的电化学分析、原位 XRD 表征和 DFT 理论计算,探究了MCUF的钾储机理及行为,揭示了具有高可逆和高功率特性的表面主导的储钾行为。进一步地,该工作使用MCUF负极、多孔碳正极及不可燃电解液组装了新颖的不可燃钾离子电容器,该器件不仅具有高安全性能还具有优异的循环性能(6000次循环后容量保持率为89.2%)和可观的能量/功率密度(120.2 Wh kg-1 16.7 Wh kg-1)。因此,该工作为理解炭质材料中储钾机理、构建具有高安全和优异电化学性能的不可燃性钾离子电容器提供了新思路。该研究结果以“Fast Potassium Migration in Mesoporous Carbon with Ultrathin Framework Boosting Superior Rate Performance for High-Power Potassium Storage”为题发表在国际著名顶级学术期刊 《Energy Storage Materials》(IF=16.28)上。 

 

【图文解析】 

西安科技大学刘欢课题组:超薄壁介孔炭中的快速钾迁移实现高性能储钾及其作为不可燃钾离子电容器负极的研究

图1 形貌与结构表征。MCUF(a,b及c)和SC(d,e及f)的SEM和HRTEM图像,(g)X射线衍射谱,(h)拉曼光谱,(i)氮气等温吸附-脱附曲线。

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图2 电化学储钾行为。在0.1 mV s-1扫速下的CV曲线(a,b)及50 mA g-1电流密度下的电压-比容量轮廓曲线(c,d),循环性能(e)及循环过程中dQ/dV演化过程中的等高线图(f,d)。 

西安科技大学刘欢课题组:超薄壁介孔炭中的快速钾迁移实现高性能储钾及其作为不可燃钾离子电容器负极的研究

图3 储钾倍率性能及长循环性能。不同电流密度下的钾化性能(a)及其对应的电压-比容量轮廓曲线(b,c),去钾化性能(d)及其对应的电压-比容量轮廓曲线(e,f),(g)与目前已报道储钾炭负极材料的容量保持率对比,(h)0.5 A g-1电流密度下的长循环性能。 

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图4 电化学储钾机理及钾吸附/迁移的理论模拟。GITT测试的电压-比容量轮廓曲线(a)、过电势(b)及表观扩散系数(c),不同扫描速率下的CV曲线(d)、表面主导储钾行为的容量贡献(e)及不同扫描速率下表面主导储钾行为的容量比例(f),储钾过程中的原位X射线衍射(g),钾吸附(h)及扩散迁移(i,j,k)的DFT理论计算,MCUF的储钾示意图(l)。

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图5 使用不可燃电解液及MCUF负极构建不可燃钾离子电容器。不可燃电解液与传统碳酸酯电解液的燃烧实验对比(a)、MCUF在不可燃电解液中50mA g-1下的电压-比容量轮廓曲线(b)及1 A g-1下的长循环性能(c),多孔碳正极在不可燃电解液中不同上限截止电压下的电压-比容量轮廓曲线(d),不可燃钾离子电容器的结构及工作机理示意图(e),钾离子电容器的循环性能(f),组装的钾离子电容器可同时点亮5颗LED灯的数码照片(g),充电性能(h),放电性能(i)及对应的电压-比容量轮廓曲线(j),与传统电化学储能器件能量/功率密度对比的Ragone图(l)。

 

【结果与展望】

本研究工作根据钾离子的特性,有针对性的制备了具有超薄骨架的介孔炭负极材料,该材料表现出了优异的储钾循环稳定性及倍率性能,这主要归因于其独特的超薄碳壁和介孔结构可协同缓冲储钾过程中的体积变化并促进钾的快速扩散。电化学分析结果及原位XRD表征揭示了MCUF的表面主导型储钾行为。进一步的,DFT理论计算结果表明MCUF中的缺陷结构具有相对更优的钾吸附能力和较低的钾扩散能垒,从而提升储钾的容量和倍率性能。进一步地,该工作使用MCUF负极和不可燃电解液组装了新颖的不可燃钾离子电容器,该器件不仅具有高安全性能还具有优异的循环稳定性(6000次循环后容量保持率为89.2%)、出众的倍率性能和可观的能量/功率密度(120.2 Wh kg-1 16.7 Wh kg-1)。因此,该工作为理解炭质材料中储钾机理、构建具有高安全和优异电化学性能的不可燃性钾离子电化学储能器件提供了新思路。

 

Huan Liu, Huiling Du, Wei Zhao, Xiaojing Qiang, Bin Zheng, Ying Li, Bin Cao, Fast Potassium Migration in Mesoporous Carbon with Ultrathin Framework Boosting Superior Rate Performance for High-Power Potassium Storage, Energy Storage Materials, 2021, DOI:10.1016/j.ensm.2021.05.037

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S240582972100249X

 

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参考文献: