长循环钾离子电池碳负极——大规模储能的新机会

AFM-jixiulei可再生新能源的开发是二十一世纪最值得研究的课题之一。可再生能源包括太阳能,风能,潮汐能等。这些能源大多是间歇的,不连续的;这些装备若不规律地产生巨大的电能,无法被及时使用掉,将会对电网造成压力和安全隐患。解决这个难题有几种选择: 可以通过智能电网对电能进行有效地调配;可以建设特高压输电,将电能从人烟稀少的电站直接输送到城市群或工厂区域;也可以就地将产生的电能储存起来,在需求最大时也就是电价最高的时候输送入电网,以取得最大的经济效益。最后一个思路具有明显的优势。这就需要大规模储能设备。大规模储能的方案有很多:比如抽水储能,压缩空气储能等。但是这些方案不能实现模块化装备,它们受地理条件的限制显著。模块化储能中成本较低的是电化学储能。主要是利用电池组。对于这些电池,目前的一个共识是:我们应该避开依靠锂离子和锂金属的电池。原因之一是锂元素在地壳中的丰度比较低;原因之二,其实是更重要的原因,是锂矿的开采成本很高。世界上储量最大的锂矿主要是在南美洲荒凉的高原上,基础设施薄弱。

这就要求科研人员寻找下一代可持续,价格低廉的储能设备。在这个思路上,钠离子电池最近获得了非常多的关注。但是同族元素,钾离子电池是不是就没有任何可能性呢?钾元素资源丰富、分布较广泛、价格较低廉。 作为一种新的可能性,钾离子电池是有机会在大规模电化学储能领域中得到应用的。对于钠离子电池和钾离子电池的优缺性的严肃比较还有待进行。最近两年,钾离子电池领域在碳负极方面取得显著的成果。这些碳电极材料包括石墨,软碳,和硬碳。这其中硬碳表现出最好的循环稳定性,软碳表现出最好的倍率性能。如何将这些优点集中到一种材料当中?俄勒冈州立大学简泽浪博士,纪秀磊教授和布鲁克海文国家实验室苏东研究员巧妙地将软碳硬碳‘有机’地结合在一个材料上,实现了循环性能和倍率性能优异的软硬碳复合材料,向着钾离子电池商业化又向前迈进了一步。

研究人员成功地通过两步法制备了软碳填充硬碳球的复合材料。其中软碳部分,含量约为20%,钉扎在硬碳球表面的纳米孔中。基于这种复合材料的可逆容量达到261 mAh/g。这种复合材料继承了硬碳的循环稳定性;在1C(279 mA/g,1小时充电)倍率下,200圈循环后仍然保持了93%的容量;每圈损失仅为0.035%。在0.2C倍率下,前200圈容量几乎没有衰减,440圈后,容量保持率89%,每圈损失为0.025%。复合材料不仅具有非常好的循环性能,其倍率性能相比硬碳也得到显著提升。2C倍率时的容量达到190 mAh/g,此时硬碳的容量只为135 mAh/g。

复合材料的优异性能不仅使得电池能够长期工作,而且能够更好的满足间歇性能源快速存储,提升电池设备的存储效率。为大规模储能提供了一种新的可能性。相关研究成果最近发表在了Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201700324)上。

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