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湖南大学鲁兵安AEM:MoSe2/N-C 作为钾离子电池负极材料

鲁兵安教授课题组成功合成MoSe2/N-C材料,当其作为负极应用于钾离子电池时,表现出了优异的储钾性能。

以过渡金属硫族化合物做正负电极的钾离子电池是一种廉价、环保和高效的新型电池,是潜在的可大规模生产的高性能储能设备。电池大多数以锂基础,但是锂资源匮乏必将引起价格的提升。相比之下,钾的储量丰富,价格低廉,因此开发钾基电池成为了研究的重点。然而,由于钾离子较大的离子半径,传统的材料储存性能不足,无法发挥出钾离子储能设备的潜在优势,寻找合适的可以储存钾离子的负极材料成为钾离子电池发展的关键。

湖南大学的鲁兵安教授课题组成功合成MoSe2/N-C材料,当其作为负极应用于钾离子电池时,表现出了优异的储钾性能。该成果发表在国际顶级期刊Advanced Energy Materials (影响因子:21.875)。         

MoSe2/N-C 作为钾离子电池负极材料图1. (a) MoSe2/N-C的 SEM 图像 ; (b-d)MoSe2/N-C 的TEM and HRTEM 图像; (e)  MoSe2/N-C 的各元素 mapping

如图1所示,电镜照片,mapping,等表征用来证明MoSe2/N-C形貌。从TEM图片上可以明显的看出材料具有较大层间距,可以满足钾离子的嵌入和脱出。

MoSe2/N-C 作为钾离子电池负极材料

图2. (a) MoSe2/N-C的XRD; (b-f)MoSe2/N-C的XPS

MoSe2/N-C 作为钾离子电池负极材料

图 3. (a) MoSe2/N-C在不同电解液中的循环表现;(b)CV曲线; (c)在不同循环次数下的充放电曲线; (d)MoSe2/N-C 的倍率性能从100 到 2000 mA/g; (e)MoSe2/N-C, MoSe2 和 C 在电流密度100mA/g下的电化学性能

基于1M KFSI/EMC 电解液,MoSe2/N-C负极材料表现出优异的电化学性能。如图3所示,在0.1A/g电流密度下,300次循环后容量高达258.02mAh/g。在0.1, 0.2, 0.5, 0.8, 1.0, 2.0A/g的电流密度下容量分别为300, 244, 211, 195和178mAh/g;当电流密度恢复到0.1A/g时,容量恢复并保持在305mAh/g。

MoSe2/N-C 作为钾离子电池负极材料

图 4. (a-b)第一次循环中MoSe2/N-C电极非原位的XRD,Raman 测试; (c)第200次循环中MoSe2/N-C电极非原位的XRD测试; (d)MoSe2/N-C 电极在200次循环后充满电的HRTEM

为了分析其储能机理,作者对处于不同充电状态的材料进行了非原位的XRD, Raman 和HRTEM分析测试,如图4 所示,从图4a 的XRD上可以明显看到,完全放电后主要的产物是K5Se3, 充满电后主要是MoSe2, 有部分的单质硒产生,正好解释了循环过程中容量增加的原因。

 

JunMinGe, Ling Fan, Jue Wang, Qingfeng Zhang, Zhaomeng Liu, Erjin Zhang, Qian Liu,Xinzhi Yu, and Bingan Lu, MoSe2/N-doped Carbon as Anodes for Potassium-IonBatteries, Advanced Energy Materials, DOI:10.1002/aenm.201801477

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