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湖南大学鲁兵安Small:高效固体电解质界面层实现超稳定钾储存性能

湖南大学鲁兵安Small:高效固体电解质界面层实现超稳定钾储存性能

本文亮点:报道了以一种高浓钾盐3M KFSI@DME作为电解液结合E-碳作为负极的钾离子电池,该电池展现出了优良的循环稳定性,其循环次数长达14000圈。该高浓钾盐能够促使E-碳负极形成高度稳定的且能促进钾存储的无机固体电解质界面(SEI)层。

 

【引言】

K元素( – 2.93 V vs E0)与Li元素(-3.04V vs E0)具有更接近的标准电极电位,这意味着钾离子电池(PIB)可能与LIBs显示更相似的放电电压和能量密度。同时, K+可以毫不费力地与碳质材料相互作用。此外,丰富而廉价的钾资源也将显著降低电池的成本。因此,PIB被认为是大规模EESs最理想的替代品之一。

众所周知,金属离子电池的主要特征(安全性和循环性能)是由负极决定的。目前虽然已经开发了一些用于钾储存的含碳材料,但循环性能仍然无法达到商业应用的条件。此外,目前在钾离子电池领域,最受关注的是开发新材料,而电解液(电解质)的影响却被忽略了。尽管如此,电解液在金属离子电池中也起着重要的作用,因为它们可以在电极表面形成钝化层(固体电解质界面),这对电池性能至关重要。因此,有效的将电解液与电极材料结合起来开发研究钾离子电池是至关重要的。

 

【成果简介】

近日,湖南大学鲁兵安教授课题组(通讯作者)在国际期刊Small 上成功发表 “Ultrastable Potassium Storage Performance Realized by Highly Effective Solid Electrolyte Interphase Layer”的论文。第一作者为博士生樊令。研究人员通过将电解液与电极材料集成开发。其中,醚基官能团掺杂的碳(E-碳)提高了钾的储存性能,而所选择的电解液可以产生高度稳定的无机SEI层。结果,PIBs在500mA/g下可表现出循环稳定性超过3000次循环,容量保持率为91.5%。值得注意的是,PIBs在2000mA/g时可以表现超过14000次循环的超长循环性能和超过99.9%的超高平均库伦效率。

 

【全文解析】

湖南大学鲁兵安Small:高效固体电解质界面层实现超稳定钾储存性能

图1 合成碳质材料的形貌和结构表征。a)TEM图像。b)HRTEM图像。c)SAED模式。d)元素分布。e)拉曼光谱。f)FTIR曲线。g)高分辨率C1s XPS。h)高分辨率O1s XPS。

湖南大学鲁兵安Small:高效固体电解质界面层实现超稳定钾储存性能

图2 电子碳的理论和实验分析。a)碳和E-碳的态密度。b)碳和c)具有钾原子的E-碳的结构和相应的吸收能。黑色:碳原子; 红色:氧原子; 紫色:钾原子。d)和e)使用不同电解液的电池的充电-放电曲线,电流密度为100mA/g。d)3M KFSI@DME和e)0.8M KPF6@EC:EMC(1:1,v:v)。f)两种不同电解液下E-碳的倍率性能。g)两种不同电解液下E-碳在500mA/g下的循环性能。h) E-碳在2000mA/g下的超长循环稳定性,电解液为3M KFSI@DME。

湖南大学鲁兵安Small:高效固体电解质界面层实现超稳定钾储存性能

图3 a)钾盐(KPF6和KFSI)和溶剂(DME,EC和EMC)的HOMO和LUMO能级。b)充分测量XPS光谱,c)高分辨率C1s和d)50次循环后具有两种不同电解质的E-碳的XPS曲线。 e)高分辨率S2p N1s和f)在DME中作为电解质的E-碳与3M KFSI的N1s XPS曲线。

 

为了解溶剂和钾盐的热力学稳定性,通过DFT计算它们的HOMO(最高占据分子轨道)和LUMO(最低未占分子轨道)能级(图3a)。可以发现,KPF6,KFSI,DME,EC和EMC的热力学稳定窗口顺序是KFSI <KPF6 <EMC≈EC <DME,这意味着KFSI的反应性更强,DME溶剂反应活性较低。因此,当在PIB中使用DME中的KFSI电解质时,主要的电解质分解可能来自KFSI。相比之下,KPF6在EC:EMC中的电解质分解因其相似的热力学稳定性窗口而更为复杂。

湖南大学鲁兵安Small:高效固体电解质界面层实现超稳定钾储存性能

图4 不同循环后E-carbon中SEI的元素映射。a)50次循环后。b)500次循环后。c)2000次循环后。

 

此外,鉴于E-carbon的优异稳定性和倍率性能,进一步研究了钾离子电池-超级电容器混合装置。使用E-carbon | 3M KFSI@DME |活性炭的器件配置,该装置在1000mA/g下可以稳定循环2000次。此外,它可以在800W/Kg的功率密度下提供13W/Kg的能量密度,高于以前的报告。其中,电流密度,能量密度和功率密度是基于阳极和阴极中活性材料的总质量计算。这项工作证明了SEI在PIB阳极中的重要性,并可能为设计高性能可充电钾电池提供指导。

 

Ling Fan, Suhua Chen, Ruifang Ma, Jue Wang, Longlu Wang, Qingfeng Zhang, Erjin Zhang, Zhaomeng Liu, Bingan Lu, Ultrastable Potassium Storage Performance Realized by Highly Effective Solid Electrolyte Interphase Layer, Small, DOI:10.1002/smll.201801806

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