【论文合集】Science Bulletin：钾离子电池

钾离子电池

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Boosting the potassium-ion storage performance enabled by engineering of hierarchical MoSSe nanosheets modified with carbon on porous carbon sphere

Mengting Cai, Hehe Zhang, Yinggan Zhang, Bensheng Xiao, Lei Wang, Miao Li, Ying Wu, Baisheng Sa, Honggang Liao, Li Zhang, Shuangqiang  Chen, Dong-Liang Peng, Ming-Sheng Wang, Qiaobao Zhang (张桥保）Science Bulletin, 2022, 67(9): 933–945; doi: 10.1016/j.scib.2022.02.007研发能够有效缓解储钾过程中巨大的体积变化和加快反应动力学的先进负极材料,对于钾离子电池的实际应用至关重要. 为此,本文报道了一种新颖分级结构薄层碳包覆的MoSSe纳米片/多孔碳微球复合负极材料Cs@MoSSe@C), 能够显著提升储钾性能.在这种新颖结构中, 多孔碳微球骨架上锚定的分级MoSSe纳米片具有较大的层间距和丰富的阴离子空位, 有利于钾离子的快速嵌入、脱出,并能提供丰富的钾离子存储活性位点. 同时,薄碳层和高度多孔的碳微球骨架可有效缓解充放电过程中体积膨胀和加快反应动力学, 并维持电极结构稳定性.因此, 研发的Cs@MoSSe@C负极材料及其组配的全电池都表现出了优异的循环稳定性和出色的倍率性能. 此外,通过原位透射电镜技术、原位拉曼技术和非原位显微技术结合理论模拟揭示了其嵌入-转化反应储钾机理和获得优异电化学性能的本质原因.该工作为高性能过渡金属硫族化合物储钾负极材料的构筑与性能优化提供了实验依据和新策略.

Confining ultrafine SnSn anoparticles in hollow multichannel carbon  nanofibers for boosting potassium storage properties

Yanan He, Yifan Xu, Min Zhang, Jianzhi Xu, Bingbing Chen, Yuxuan Zhang,  Jianchun Bao, Xiaosi Zhou (周小四)Science Bulletin, 2022, 67(2): 151–160; doi: 10.1016/j.scib.2021.09.020SnS因其高理论容量被认为是极具潜力的钾离子电池负极材料, 但其较差的电子导电性和充放电过程中巨大的体积膨胀导致它的循环寿命十分有限. 这项工作提出将SnS纳米晶体限制在中空多通道碳纳米纤维壁(SnS@HMCFs)中,该方法可以有效解决上述问题. 与之前的研究相比,超细SnS纳米晶体紧凑地浸渍在中空碳纳米纤维中可以增加碳基质单位面积的SnS负载量.此外, 独特的中空多通道碳纳米纤维可以用作稳定的载体以均匀分布SnS纳米晶体,从而显著加速 K⁺/e^–传输, 为钾离子电池带来优异的比容量、出色的倍率性能和稳定的循环性能. 在钾离子半电池中,SnS@HMCFs在0.1 A g^–1和1 A g^–1的电流密度下分别循环300圈和1000圈后仍可保留415.5 mAh g^–1和245.5 mAh g^–1的高可逆容量, 证明其作为钾离子电池负极材料时具有巨大潜力. 除此之外,将SnS@HMCFs负极与KVPO₄F正极组装成全电池, 在0.1A g^–1循环200圈后也可显示出165.3 mAh g^–1的良好放电容量.
Enlarged interlayer spacing and enhanced capacitive behavior of a carbon anode for superior potassium storage
Xiaodong Shi, Yida Zhang, Guofu Xu, Shan Guo, Anqiang Pan, Jiang Zhou (周江),  Shuquan Liang (梁叔全)Science Bulletin, 2020, 65(23): 2014–2021; doi: 10.1016/j.scib.2020.07.001本文通过简易高效的碳化工艺, 构建了一种具有大碳层间距(0.407 nm)、高比表面积(681.15 m² g⁻¹)以及丰富电化学活性位点的N/S共掺杂碳材料(NSC)用作钾离子电池负极材料. 研究结果发现, 基于增大碳层间距和增强电容行为的协同效应, NSC表现出了较高的储钾容量(在0.1和0.5 A g⁻¹电流密度下, 可逆容量分别为302.8和206.7 mAh g⁻¹)和优异的长循环稳定性(在2 A g⁻¹电流密度下循环600圈之后, 可逆容量能够保持在105.2 mAh g⁻¹). 同时, 通过与单一硫掺杂碳材料(SC)和商用硬碳(HC)材料的储钾性能对比, 作者发现单一硫原子掺杂尽管能够最大限度地增大碳层间距、提升储钾容量, 但也会加剧碳材料结构的不稳定性, 导致较差的循环性能和倍率性能. 因此, 作者强调了氮原子的引入不仅能够增强碳材料的导电性和电容吸附行为, 而且有助于保持碳材料微观结构的稳定性.
Plum pudding model inspired KVPO₄F@3DC as high-voltage and hyperstable cathode for potassium ion batteries
Zhaomeng Liu, Jue Wang, Bingan Lu (鲁兵安)Science Bulletin, 2020, 65(15): 1242–1251; doi: 10.1016/j.scib.2020.04.010开发环保、低成本的新型正极材料对钾离子电池的发展具有重要意义. 本文设计并制备由无定型热解碳层及三维导电碳网络对KVPO₄F颗粒进行三维包覆, 得到KVPF@3DC复合正极并展现出优异的电化学性能. 在20, 50和500 mA g⁻¹电流速率下, 其放电比容量分别为102.96、96.01和60.02 mAh g⁻¹; 在500 mA g⁻¹条件下循环550次后, 循环保持率高达83.6%. 复合材料中, 热解碳层均匀包覆在KVPO₄F不规则纳米颗粒表面, 而三维导电网络则成功连接不同的KVPO₄F颗粒, 这种特殊结构充分改善了KVPF@3DC复合材料的电子传导能力, 同时提高了循环过程中电极材料的界面稳定性, 为超稳定高电压钾离子电池正极的开发提供了思路.
Ultra-stable Sb confined into N-doped carbon fibersanodes for high-performance potassium-ion batteries
Danyang Liu, Li Yang, Zanyu Chen, Guoqiang Zou, Hongshuai Hou (侯红帅), Jiugang Hu (胡久刚), Xiaobo JiScience Bulletin, 2020, 65(12): 1003–1012; doi: 10.1016/j.scib.2020.03.019通过静电纺丝技术制备了纳米级Sb@CN纤维复合材料, 是一种潜在的钾离子电池电极材料. 研究结果表明, 多孔纳米纤维框架结构与均匀分布的Sb纳米组分之间的协同作用可以有效加速离子迁移速率, 并缓解K⁺嵌入过程中引起的体积膨胀, 从而使Sb@CN纳米纤维电极表现出优异的钾储存性能. 尤其是其长循环稳定性, 在5000 mA g^–1电流密度下, 1000次循环后, 仍可获得212.7 mAh g^–1的可逆容量, 此高循环稳定性是目前高性能钾离子电池应用的关键指标.