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新型钾盐KFSI助力钾离子电池

【引言】

随着当今科技高速的发展,电能存储技术也顺应趋势,朝着高效率,低成本的方向迈进。锂离子二次电池(LIBs)作为可再生能源领域中最为成熟的储能体系,无论在技术研究还是实际应用层面都取得了巨大的成功。然而锂资源的匮乏势必会导致高昂的成本。在同主族具有相同电化学性质的元素中,钾具有更接近锂的工作电压和能量密度,且钾资源丰富,价格低廉,因此钾离子电池也越来越受到人们的关注。

目前,有关钾离子二次电池(PIBs)负极材料的报道,主要集中在各类碳材料上。其次就是以合金化/去合金化反应作为储钾机理的合金类负极材料。但是,由于钾离子半径比较大 (1.38 Å), 在充放电过程中会引起较大的体积变化,使得电极材料易粉化和聚集;同时钾又很活泼,在电池循环过程中易产生副反应,从而导致电池循环寿命差。最近,澳大利亚伍伦贡大学郭再萍教授课题组使用双氟磺酰亚胺钾盐(KFSI)取代传统的六氟磷酸钾盐(KPF6),极大地改善合金类负极材料在钾离子电池中的性能。 她们首次报道了金属铋材料在钾离子电池中的电化学性能,同时发现使用传统的KPF6/酯类电解液体系,负极材料因其充放电过程中剧烈的体积变化破坏在首圈已经形成的SEI膜,从而不断消耗电解液,生成新的SEI膜,导致容量很快衰减。与之相反,同样是在使用酯类溶剂的情况下,换用KFSI所生成的SEI膜具有更好的稳定性,能减少副反应和有效避免合金类负极材料由于体积变化而导致的容量衰减问题。同时他们也发现KFSI电解液也能有效改善其他合金类负极材料如锡和锑的电化学性能。该文章发表在Advanced Energy Materials上。博士生张晴为论文第一作者,毛建锋博士和郭再萍教授为论文的共同通讯作者。

【图文导读】

新型钾盐KFSI助力钾离子电池

图一.Bi基材料的电化学性能: (a)使用KFSI电解液和(b)使用KPF6电解液的循环伏安曲线; (c)使用KFSI电解液和(d)使用KPF6电解液的恒流充放电曲线; (e)循环性能与对应库伦效率; (f) 倍率性能。

新型钾盐KFSI助力钾离子电池

图二.使用KPF6电解液循环后的TEM图: (a) 2圈, (b) 5圈, (c) 10圈;使用KFSI电解液循环后的TEM图: (d) 2圈, (e) 5圈, (f) 10圈;氟元素在材料中循环10圈以后的分布情况(g) KPF6,(h) KFSI; 分别在KPF6和KFSI两种电解液中循环10圈后的XPS图: (i) F 1s, (j) C 1s,(k) O 1s.

新型钾盐KFSI助力钾离子电池

图三. (a) Bi/rGO电极分别在KPF6和KFSI电解液中循环后的载荷-位移深度曲线;隔膜分别在(b) KFSI和(c) KPF6电解液中循环10次后的照片; Bi/rGO电极分别在(d) KPF6和(e) KFSI电解液中循环后的表面高度图, 以及在(f) KPF6和(g) KFSI电解液循环后的表面电位图。

新型钾盐KFSI助力钾离子电池

图四.(a) Bi材料在不同电解质盐时的SEI膜形成及其稳定化效果示意图。其他合金类负极材料如(b, c) Sn/C和(d, e) Sb/C分别使用KFSI和KPF6电解液时的电化学循环性能及其库伦效率对比图。

【小结】

这项工作通过优选更加适合基于合金化反应负极材料的钾盐(KFSI), 进而改善了这类材料在钾离子二次电池中的电化学性能。研究发现得益于KFSI盐的优先还原,使用KFSI电解液所生成的SEI膜更加均匀和稳定,从而更能保护电解液的分解,提高了电极材料在充放电过程中的界面稳定性,改善了循环性能。该研究工作为提高钾离子电池的循环稳定性提供了新的简单的解决方案, 并有望用于其他钾离子电池电极材料。

参考文献:Qing Zhang, Jianfeng Mao*, Wei Kong Pang, Tian Zheng, Vitor Sencadas, Yuanzhen Chen, Yajie Liu and Zaiping Guo*, Boosting the Potassium Storage Performance of Alloy-Based Anode Materials via Electrolyte Salt Chemistry, Adv. Energy Mater. 2018, 1703288.

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参考文献:

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