Advanced Energy Materials:纳米片自组装CuSe晶柱:高效双功能钠、钾离子电池负极材料

钠离子和钾离子电池是资源丰富、环境友好、成本低廉的先进储能电池体系。然而,具有更大离子半径的钠和钾,在电化学反应过程中易增大主体材料晶格应力,诱导材料结构坍塌等问题,导致较差的循环稳定性和不佳的倍率性能。因此,充分考虑储钠/钾反应对于材料主体晶格的特殊要求,深入认知电化学过程中的相变过程与其功能属性的关联,实现了容量与循环稳定性的协同提升尤为关键。

过渡金属硒化物可以与Na+或K+发生多电子转换反应,因而具有较高的理论比容量。又由于材料带隙小,电子电导率更高,有利于电化学过程中电荷的快速传导。但是,目前钠和钾离子电池的研究尚处于起步阶段,过渡金属硒化物是否可用尚未可知,其储能机制更有待深入探讨。此外,硒化物在有机电解液中溶解的问题一直是影响材料循环稳定性的瓶颈问题。更重要的是,由于金属钾活泼性更强,电解液对金属的腐蚀也成为钾离子电池亟待解决的难题。

近日,吉林大学杜菲教授课题组和曾毅教授课题组合作,利用湿化学法首次合成了纳米片自组装的立方晶相CuSe材料,并实现了该材料对钠离子和钾离子的高效存储。进一步,研究者利用原位X射线衍射,结合不同电压点的微观透射电镜照片,研究了材料在充放电过程中的相变规律,并深入探讨了不同体系内相变产物差异与其电化学属性的关联。此外,研究者还利用多种实验手段研究了过渡金属硒化物在反应过程中Se的溶解问题以及金属钾对电极在醚基和酯基电解液中的反应活性问题。研究发现,醚基电解液体系既可以有效抑制活性物质中单质Se的溶解,又可以提高钾金属对电极的工作寿命。该研究工作为开发和设计新型二次电池用关键电极材料提供了新思路。

相关工作以“Nanosheets-Assembled CuSe Crystal Pillar as a Stable and High-Power Anode for Sodium-Ion and Potassium-Ion Batteries”为题,在线发表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201900323),论文同时被选为当期封底(Back Cover)文章。吉林大学物理学院杜菲教授和材料学院曾毅教授为论文共同通讯作者。