Trans Tianjin Univ |金属及金属基复合钾离子电池负极材料的研究进展

＋

文章信息

金属及金属基复合钾离子电池负极材料的研究进展

作者：Jie Xu, Shuming Dou, Yaqi Wang, Qunyao Yuan, YidaDeng, Yanan Chen

原文标题：Development of Metal andMetal-Based Composites Anode Materials for Potassium-Ion Batteries

期刊：Trans Tianjin Univ, 2021

https://doi.org/10.1007/s12209-021-00281-z

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-021-00281-z

本文亮点

（1）本文简要介绍了金属/金属氧化物作为钾离子电池（KIBs）负极材料的研究现状，讨论了现有的挑战。

（2）概述了改善金属/金属氧化物电极材料电化学性能可用的解决方案和策略。例如：设计纳米级尺寸结构的电极材料，复合碳材料和选择合适的电解液或添加剂。

（3）展望了该领域的发展之路。例如：寻求简单、高效、可商业化的合成方法和先进表征技术，将理论计算技术引入模型构建利于精确的合成控制和优化电极材料等等。

＋

内容简介

钾离子电池（KIBs）由于其丰富的钾资源和与锂相似的特性，被认为是下一代强大的潜在储能系统。遗憾的是，KIBs的实际应用不如锂离子电池（LIBs），其中有限能量密度、普通的循环寿命和不发达的制造技术是制约KIBs应用的主要因素。近年来，人们致力于开发具有优异电化学性能的新型负极材料。值得注意的是，金属/金属氧化物材料（如Sb、Sn、Zn、SnO₂和MoO₂）由于具有较高的理论容量而被广泛用作KIBs负极，这表明其在高性能KIBs方面具有广阔的应用前景。这篇综述梳理了金属/金属氧化物电极材料储钾性能的最新研究进展。讨论了改善金属/金属氧化物电极材料电化学性能的主要策略。最后，展望了这些负极材料的研究前景。

＋

图文导读

图1 锂、钠、钾的物理性质和经济指标

图2 （a）原始Sb–C电极和完全放电状态下的X射线衍射图。版权所有2015，美国化学学会。（b）真空蒸馏法下不同比例Zn–Sb合金的演变示意。（b-1）锌与锑的原子比约为1:4。（b-2）锌与锑的原子比约为4:1。（i）最初，锌锑合金具有均匀分布的结构。（ii）当Zn–Sb合金在400 °C下蒸馏时，仅去除了少量锌原子并形成了少量孔隙。（iii）当蒸馏温度达到500 ℃时，锌原子完全升华，产生大量的孔隙或空位，得到纯纳米多孔锑（NP-Sb）。（c）在100 mA/g下NP–Sb-20和块状Sb负极的循环性能。版权所有2018，美国化学学会。（d）三维碳骨架（3D SbNPs@C）混合电极中Sb纳米颗粒的三维示意图，3D SbNPs@C具有较大的电极-电解质接触面积、较短的K⁺扩散距离和快速电子传输网络。版权所有2018，皇家化学学会。（e）浸渍有超小型Sb纳米晶体的碳纳米纤维的简单两步路线示意，其中包含空心纳米通道阵列（表示为u-Sb@CNFs)，即在DMF和随后的煅烧中对含有乙酸锑（Sb(Ac)₃）、聚丙烯腈（PAN）和聚苯乙烯（PS）的前体溶液进行静电纺丝。版权所有2019，Wiley-VCH。（f）5000 mA/g时KIBs用的两种材料的循环性能。版权所有2020，爱思唯尔。（g）Sb@CSN负极的电化学性能：100 mA/g下在1 M KTFSI和4 M KTFSI电解液中的循环性能（插图：100次循环后在4 M KTFSI电解液中用币形电池点燃电子蜡烛）。版权所有2019，RSC
图3（a）锡碳电极在钾半电池中首次放电和首次充电后的X射线衍射图。版权所有2016，RSC。（b）Sn@RGO合成示意。（c）100 mA/g时Sn与Sn@RGO的循环性能对比。版权所有2019，爱思唯尔。（d）3D SnSb@NC复合材料的原位合成示意。（e）3D SnSb@NC在二甲醚基电解液中的钾储存性能：电压分布。版权所有2019，RSC。（f）低温下¹¹⁹Sn穆斯堡尔谱的非原位测量。从上到下分别为原始锡、首次放电结束（EOD）、充电至0.92 V和首次充电结束（EOC）。版权所有2019，RSC

图4 （a）新型负极材料设计示意：（i）与石墨烯层压的2D铋酸钠（2D-SB），（ii）原位形成的BiND/G，（iii）K_xBi_y /石墨烯纳米复合材料。版权所有2019，Wiley-VCH。（b）(i) Bi@N-C的合成过程示意，（ii）不同铋基负极（包括裸铋纳米颗粒和Bi@N-C）中充放电过程的降解机制和形态演变示意。（c）Bi@N-C的钾离子储存行为，不同倍率下恒电流充放电曲线。版权所有2019，Wiley-VCH。（d）电化学过程中形态变化和SEI形成示意。版权所有2018，Wiley-VCH。（e）50 mA/g下KPF₆和KFSI电解液中Bi和Bi/还原石墨烯氧化物（Bi/rGO）电极的循环性能以及相应的库仑效率。版权所有2018，Wiley-VCH

图5（a）三个纳米孔样品的SEM图：（i）纳米孔Ge₃₀ (np-Ge₃₀)，（ii）纳米孔Ge₂₀ (np-Ge₂₀)和（iii）纳米孔AlGe (np-AlGe)以及相应的示意图。（b）np-Ge₃₀、np-Ge₂₀和np-AlGe电极的长循环稳定性。试验在20 mA/g下进行，电化学窗口为0.01–2.5 V。版权所有2019，爱思唯尔。（c）ZNP/C的合成过程示意。（d）ZNP/C-600的（i）SEM，（ii）TEM和（iii）HRTEM图像。（e）0.5 A/g下ZNP/C-600的长循环性能。版权所有2018，RSC

图6（a）SnO₂@CF的合成示意。版权所有2020，RSC。（b）3D SnO₂@C的合成路线示意。（c）1 A/g下的长循环稳定性。版权所有2019，爱思唯尔。（d）两步形成SnS₂/SnO₂/SSM示意：（I）SnO₂纳米片在SSM表面的生长；（II）部分硫化SnO₂/SSM形成SnS₂/SnO₂/SSM。（e）50 mA/g下SnS₂/SnO₂/SSM和SnO₂/SSM电极的循环性能。版权所有2019，爱思唯尔
图7 （a）MoO₂/rGO复合材料的合成过程示意。（b）50 mA/g下MoO₂、rGO和MoO₂/rGO的循环性能。版权所有2018，Wiley-VCH。（c）MoSe₂@MoO₂ (M@M)样品制备过程示意。（d）500 mA/g下M@M-2 (MoSe₂: MoO₂ = 1: 0.35)长循环性能。版权所有2020，爱思唯尔
图8 （a）2 M NaOH水溶液中不同脱合金反应时间的SEM图像和通过脱合金对Co₃O₄纳米片进行形态转变的示意图：（i）6 h，（ii）12 h，（iii）24 h和（iv）48 h。版权所有2020，Taylor & Francis。（b）图解说明所建议Co₃O₄@N-C电极的钾化/去钾化机理。氮掺杂的非晶碳层为复合材料提供高K离子吸附、机械/结构稳定性和高导电网络。（c）50 mA/g下Co₃O₄和Co₃O₄@N-C的循环寿命。版权所有2020，美国化学学会。（d）Co₃O₄@C@MoS₂的制备示意。（e）KIBs中100次循环的纯MoS₂、C@MoS₂和Co₃O₄@C@MoS₂电极(100 mA/g)。版权所有2020，爱思唯尔

图9 （a）制备的CuO纳米板电极和对照CuO粒子电极的循环性能。版权所有2019，Wiley-VCH。（b）（i）初始恒电流充放电（GDC）曲线中的钾化/去钾化状态，（ii）非原位XRD图和（iii）Sb₂O₃–RGO的放大区的XRD图。版权所有2019，Wiley-VCH。（c）（i）V₂O₃的优化结构，（ii）2000 K下4 ps通过AIMD模拟获得的KV₂O₃中K离子的轨迹，（iii）KV₂O₃的优化结构。版权所有2018，爱思唯尔

图10 （a）为Sb₂MoO₆中钾化/去钾化工艺的拟定路线。（b）Sb₂MoO₆/rGO, Sb₂O₃/Sb₈O₁₁C_l2/rGO,和MoO₂/rGO的倍率性能。版权所有2019，Wiley-VCH。（c）Fe₂VO₄⊂NC纳米豆荚和Fe₂VO₄致密微粒（Fe₂VO₄-DMP）的制备过程示意。（d）Fe₂VO₄⊂NC纳米豆荚和Fe₂VO₄–DMP作为KIBs负极材料的钾化行为示意。纯Fe₂VO₄–DMP在重复循环过程中会发生体积膨胀和粉化，导致容量快速衰减。异质结构的Fe₂VO₄⊂NC纳米豆荚提供了足够的内部空隙空间，以适应循环期间Fe₂VO₄的体积变化，而不会导致碳涂层开裂，从而确保结构完整性。（e）Fe₂VO₄⊂NC纳米豆荚电极在4000 mA/g下2300次循环的循环性能和库仑效率（比容量值根据Fe₂VO₄⊂NC纳米豆荚的总质量计算得到）。（f）Fe₂VO₄的钾化反应机理。金色、红色（大）、紫色和红色（小）球体分别代表Fe、V、K和O原子。版权所有2019，威利VCH

通讯作者

陈亚楠

陈亚楠，天津大学材料科学与工程学院特聘研究员，入选“北洋学者”英才计划。于2012年和2017年在北京科技大学/ University of Maryland获得学士学位和联合博士学位。2017-2019年，清华大学生命科学学院/高精尖创新中心卓越学者。研究方向主要集中在先进能源存储与转换方面的纳米材料、器件和系统。研究兴趣包括纳米材料超快速合成，亚稳态合成，能源存储（锂/钠/钾离子电池，空气电池等），催化，冷冻电镜。相关成果发表高影响力期刊论文70余篇，多篇论文入选高被引论文，申请中国/美国专利多项，专利转化一项（转化金额240万）。中国最大的科研科技传播平台"科研云"发起人之一。

扫描二维码 可直接下载本文

https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-021-00281-z

扫码关注我们

Transactions of Tianjin University

天津大学学报（英文版)

主编：巩金龙副主编：张强/Rafael Luque/张铁锐电话 : [phone]
邮箱：[e-mail]

欢迎投稿：

https://mc03.manuscriptcentral.com/transtju

点击左下角「阅读原文」查看原文

↙↙↙