硬碳球:一种高性能钾离子电池负极材料

能量储存设备研发的一个重要课题是拿什么来代替锂离子电池,去用在大规模储能方面。 这包括可再生能源的储存,比如风能和太阳能。 锂资源的相对稀有和可预期的枯竭,促使研究人员努力寻找下一代可持续的廉价的替代储电设备。最近几年人们把大量精力投入钠离子电池。这主要是因为钠资源的丰富与廉价。 然而几乎没有注意力被放到钾离子电池上面。钾资源其实也同样丰富,它和钠、锂属于碱金属一族。 但通常认为基于钾离子的电极材料所能表现出的电化学性质会劣于钠离子。这种假设是基于钾离子要比钠离子的个头大很多, 所以将大个子的钾离子反复的放入电极材料的晶格中应该会来的慢,来的难一些。俄勒冈州立大学简泽浪博士和纪秀磊教授以及其他作者使用同样的硬碳球作为负极,他们发现硬碳材料在功率性能上,其钾离子的储存却是优于钠离子。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201501874)上

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硬碳是最有可能将钠离子电池推向商业化的负极材料。在钠离子电池中,硬碳虽然表现出较高的容量,稳定的循环,但其快速充放电性能还有待进一步提高。大规模储能设备的功率性能很关键。比如风能,经常是时而狂风大作,时而风平浪静,这要求电池能够在较短的时间内完成充电。从这个角度说,作者们发现的现象就提出了一种可能。 那就是储存钾离子的电池虽然在成本上和钠电池比没有优势,能量密度也不高,但是这种未来的设备很可能弥补钠电池在功率上的短板。当然和钠离子电池、锂离子电池相比,钾离子电池还处在婴儿阶段,甚至可以说是尚在孕育中。这种电池的正极的选择目前很少。 但是我们不能低估了钾离子在碳材料中表现出一些优异性能的意义。回头看锂离子电池,没有石墨材料的成功,也就没有锂离子电池过去二十五年的辉煌。

在这个工作中, 硬碳球是采用蔗糖作为原材料,使用水热法制备。 作者对比了钾离子和钠离子在硬碳球中的存储性能。发现硬碳在储存钾离子方面具有更高的安全性和更好的功率性能。 在5C(1400 mA/g),也就是12分钟充完电的的倍率下,硬碳/钾电池的容量几乎是硬碳/钠电池的两倍。作者将硬碳/钾电池所具有更高的功率性能归结为两点原因。首先是作者发现钾离子在硬碳材料中的迁移速率比钠离子稍微快些。 其次是硬碳/钾电池的充放电工作平台比硬碳/钠电池的高出一大块:0.15 福特。这个平台的优势导致,在同等级别的欧姆极化条件下,当硬碳在钠电池中已经无法工作,甚至是开始在碳电极表面上长支晶的情况下,硬碳在钾电池中仍然可以正常充放电,而且不受支晶问题的困扰。

另一方面,硬碳球相比于石墨和软碳材料在钾电池中,依然保持了大容量和高功率性能,重要的是其循环性能大大改善,这使得硬碳有可能成为最有应用前景的未来钾离子电池或者钾离子混合电容器的负极材料。