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CoS量子点纳米簇用于高能钾离子电池

锂离子电池(LIBs)作为便携式电子设备、电动汽车和混合电动汽车的电源已取得了巨大的成功。然而,锂资源的稀缺和高成本要求开发新的可替代的能源储存装置。钠离子电池(SIBs)和钾离子电池(PIBs)由于丰富的资源和低成本等优势成为有前景的替代者。虽然钾离子半径比钠离子半径大,但钾离子型的石墨插层化合物也是高度稳定的。此外,与钠(-2.71V vs Eo)相比,钾较低的标准氢电势(Eo)(-2.93V vs Eo)表明PIBs具有更高的电压和能量密度。

目前研究的PIBs负极材料包括石墨、硬/软碳、杂原子掺杂石墨烯、锡基复合材料等。过渡金属硫化物因具有高容量和高电导率成为当前最有前景的负极材料,然而其循环稳定性较差。通过活性碳材料与纳米结构量子点的杂化可以很好的改善其循环性能。但量子点是不稳定的,易于自我聚集石墨烯上的亲电子碳原子和量子点材料的离子可以形成强烈的相互作用,从而抑制量子点的聚集并允许量子点紧密地锚定在石墨烯纳米片上,因此石墨烯可作为控制量子点生长的理想底物。目前,CoS已成功的应用于超级电容器、染料敏化太阳能电池、LIBs和SIBs,但还没用研究用于PIBs。

近期,伍伦贡大学郭再萍教授课题组使用两步水热策略实现了CoS和石墨烯的杂化(25wt.%石墨烯的负载,记为CoS@G-25),相互连接的CoS量子点纳米团簇均匀地锚定在石墨烯片上;并且CoS 量子点纳米团簇在石墨烯上的原位生长赋予杂化材料在CoS和石墨烯之间具有稳定的界面连接,在充放过程中提供结构的稳定性;此外这些杂化物还具有大的表面积,有效的离子和电子传递路径,并且具有高导电性网络。其作为PIBs负极材料时表现出优异的电化学性能和稳定的长期循环性能。

CoS量子点纳米簇用于高能钾离子电池

图1. CoS@G-25复合材料的合成示意图。

CoS量子点纳米簇用于高能钾离子电池

图2.(a)CoS和CoS@G-25的XRD图。(b) CoS@G-25的XPS分析:(b)Co 2p,(c)S 2p,(d)C 1s。(e)COs,GO和CoS@G-25的拉曼光谱。

CoS量子点纳米簇用于高能钾离子电池

图3.CoS的(a)SEM,(b)明场,(c)暗场图。CoS的元素映射图:(d)Co元素,(e)S元素。CoS@G-25的(f,g)SEM (h)TEM(i)明场(j) 暗场图。(k)CoS@G-25的STEM和元素映射图:(I)Co元素,(m) S元素,(n)C元素。

CoS@G-25作为PIBs负极材料时,在500mAh/g电流密度下的初始容量为675.0mAh/g,首次库伦效率为64.4%,可逆容量达434.5mAh/g,循环100圈后的容量为310.8 mAh/g。在3C和4C高倍率下的容量仍可达278.3和232.3 mAh/g,相应的容量保持率67.3%和56.2%(相对于0.5C下容量)。CoS@G-25作为SIBs负极材料时,初始放电/充电为容量为799.3/547.9 mAh/g,首次库伦效率为68.8%,循环100圈后的容量保持率达80.0%。在3C和4C高倍率下的容量保持率仅为51%和42.6%(相对于0.5C下容量)。CoS@G-25作为PIBs负极材料时更优的倍率性能表明PIBs有望成为新的可替代的能源储存装置。

CoS量子点纳米簇用于高能钾离子电池

图4. CoS@G-25作为PIBs的电化学性能:(a) CoS@G-25的前4圈CV曲线;(b) CoS@G-25在0.5C下的充放电曲线;CoS, CoS@G-25, CoS@G-10, CoS@G-15电极的(c)循环和(d)倍率性能。CoS@G-25 循环100圈后(e)SEM,(f)明场,(d)暗场图。(h)先前所报道过的PIBs的倍率和循环性能与我们工作的对比。

CoS量子点纳米簇用于高能钾离子电池

图5. CoS@G-25电极在不同扫速下的CV曲线:(a)PIBs和(b)SIBs。(c)峰值电流与V^0.5 S^-0.5的线性关系和相应的线性拟合。(d) CoS@G-25电极作为SIBs和PIBs的倍率性能比较。

 参考文献:

Hong Gao, Tengfei Zhou, Yang Zheng, Qing Zhang, Yuqing Liu, Jun Chen, Huakun Liu, and Zaiping Guo, CoS Quantum Dot Nanoclusters for High-Energy Potassium-Ion Batteries, Adv. Funct. Mater., DOI: 10.1002/adfm.201702634

 

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