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McDowell课题组Joule:不损伤的钠/钾离子电池电极材料

前言:

2018619日,Joule在线发表了佐治亚理工大学(Georgia TechMatthew McDowell教授团队在电池材料领域的最新研究成果。该工作报道了硫化铁(FeS2)作为钠离子和钾离子电池电极材料的优异力学性能。论文共同第一作者为Matthew Boebinger,该工作合作者包括佐治亚理工的朱廷和夏书满教授。

McDowell课题组Joule:不损伤的钠/钾离子电池电极材料

背景介绍:

锂离子电池现在被广泛应用在移动电子设备,电动汽车和大型电网储能当中。日益增长的锂资源需求极大的受限于有限的锂矿储量,因此电池业界正积极探索开发新的可替代锂离子电池的储能技术。相对于锂元素,地壳中钠元素和钾元素极为丰富廉价,这使得钠离子和钾离子电池开始受到学界和工业界关注。

 

本文亮点:

McDowell课题组通过高分辨率的透射电镜实验,对硫化铁的锂化、钠化和钾化过程进行了系统的对比研究。他们的研究首次发现硫化铁在钠化和钾化过程中有着更高的断裂强度。传统的观点一般认为,钠离子和钾离子较锂离子半径大,因此在钠离子和钾离子嵌入电池材料的过程中,更容易造成材料的体积变形和断裂,从而造成电池的容量衰减。而McDowell课题组的最新工作表明,硫化铁的方形纳米颗粒在锂化后产生破裂,在钠化和钾化后只发生体积膨胀,并不会造成损伤。这一研究成果为研发高循环性能的钠离子和钾离子电池提供了新思路与方法。

图文解析:

McDowell课题组Joule:不损伤的钠/钾离子电池电极材料

2. 硫化铁锂化过程的原位透射电镜观测

 

方形的硫化铁纳米颗粒在锂化过程中,在锂化和区域之间形成一个尖锐的相界面。相界面向纳米颗粒中心传播,而未锂化的内核基本保持原有的立方体形(图2D-G)。相界面尖角处的应力集中导致纳米颗粒破裂。系统的观测表面锂化导致的纳米颗粒破裂概率和颗粒的初始大小相关,越大的纳米颗粒越容易在锂化时破裂(图2J)。

 

McDowell课题组Joule:不损伤的钠/钾离子电池电极材料

3. 硫化铁的钠化过程

 

硫化铁纳米颗粒在类似的条件下钠化时,发生很大的体积膨胀,但并未发生明显的破裂。与锂化相比,钠化的相界面传播显示出更强的各向同性,从而导致未纳化的内核由初始的立方体变成球体或椭球体。这一行为造成相界面附近的应力集中程度较低,所以纳米颗粒跟锂化时相比,更不易破裂。

 

McDowell课题组Joule:不损伤的钠/钾离子电池电极材料

4. 硫化铁的钾化过程

硫化铁的钾化行为与钠化类似。随着钾化反应的进行,相界面的尖角消失,形状变得更圆。钾化的硫化铁纳米颗粒和钠化时一样,显示出非常高的损伤容忍度。

 

作者介绍:

    Matthew T. McDowell,佐治亚理工大学(Georgia Tech)助理教授。2016年获美国空军研究院杰出青年奖(Air Force YoungInvestigator Award),2017年获美国国家自然科学基金杰青奖(NSF Career Award),主要研究方向为:新型电池储能材料,原位电镜实验方法,纳米材料与界面结构。

课题组链接:http://mtmcdowell.gatech.edu

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