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Advanced Materials:非水相钾离子电池-电容器

大规模的储能设备需要具备高能量密度、长循环寿命、廉价环保等特点。锂离子电池虽然具有高能量密度和长的循环寿命,但是锂资源的稀缺势必导致价格的提升。相比之下,钾资源丰富、价格低廉;并且与钠、镁、铝等相比钾具有更负的标准电极电势。但是,钾离子半径很大,在充放电期间可以引起巨大的体积变化使得材料易粉碎和聚集,导致电池循环寿命差。并且,基于钾离子的非水相全电池研究更是滞后于锂电池和钠电池,循环寿命普遍在500次以下。最近,湖南大学的鲁兵安教授课题组通过结合新型的钾离子电解液,以软碳作为负极,商业化的活性炭作为正极,设计了一种非水相的钾离子电池-电容器混合器件。该器件的循环寿命可以达到1500次,能量密度高达120 W h/kg,表现出了良好的应用前景。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials上(影响因子:19.791)。

Advanced Materials:非水相钾离子电池-电容器图一、a) 电池-电容器混合器件的放电过程示意图。b)充放电曲线。

Advanced Materials:非水相钾离子电池-电容器

图二、充电或者放电过程的活性炭电极的XPS测试。 a) XPS全谱。 b) S2p XPS。(c)充电或者(d)放电状态下的C 1s XPS图。

如图二所示,该电池在充电状态下,XPS中氮和硫的峰明显增加。而在放电状态下,氮和硫的峰则相对减弱。表明了充电过程中FSI阴离子与碳结合,而放电过程则相反。高倍的S 2p和C 1s XPS发现FSI中的硫元素在充电过程中被还原,形成了C-S键,而放电后则恢复完好,表明了FSI中的硫元素在充放电过程中起到了重要作用。

Advanced Materials:非水相钾离子电池-电容器

图三、充放电过程中负极(软碳)的变化。a)XRD图。b)循环后的TEM图。c)原始的,d)充电下的,和e)放电条件下的元素分布。

从图三可以看出该器件在充电条件下,钾离子嵌入或者吸附到软碳中,而在放电条件下,钾离子则从软碳中脱出。在循环后,其结构及形貌的保持良好,这也使得该软碳具有良好的循环稳定性。

结合图二和图三,该器件的充放电机理为:充电过程中,电解液中的FSI阴离子和钾离子分别嵌入(或吸附)到正极(活性炭)和负极(软碳)中;而在放电过程中,FSI阴离子和钾离子则从正负极脱出并且回归到溶液中。

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图四、该器件的电化学性能。a)CV曲线。b)充放电曲线。c)倍率性能。d)循环性能。e)快充慢放性能。

图四是该器件的电化学性能。该器件的能量密度高达120 W h/kg,循环寿命达到1500次,并且具备快充慢放性能,表现出了良好的应用前景。

上述工作得到国家自然科学基金、湖南省青年人才、煤炭转化国家重点实验室等项目的资助。

Ling Fan, Kairui Lin, Jue Wang, Ruifang Ma, and Bingan Lu*, Nonaqueous Potassium-Based Battery-Supercapacitor Hybrid Device. Advanced Materials , 1800804, doi:10.1002/adma.201800804 (2018).

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