Energy Technology:硫化铜纳米片的简易制备及其动态储钾机制

基于钾储量丰富、氧化还原电位低、有机电解液中扩散动力学好等优势,考虑到未来电池的商业化定位及大规模储能系统的需求,钾离子电池体系具有巨大的发展潜力和应用价值。过渡金属硫化物具有较高的理论容量及良好的导电性能,是一种潜在的钾离子电池电极材料。然而,在电化学反应进行过程中硫化物的体积膨胀与结构变化不可避免的影响了钾离子电池的电化学性能,其不明确的电化学反应机理同时也阻碍着过渡金属硫化物的储钾性能研究。

鉴于此,湖南大学物理与微电子科学学院青年教师于馨智指导学生采用简单的一步法制备出了一种锚定在氧化石墨烯上的硫化铜纳米片(CuS@GO),并将其作为负极材料应用于钾离子电池。电化学测试结果显示:在电流密度为0.1 A g-1时,具有410 mA h g-1的可逆比容量;在电流密度为1 A g-1时,仍拥有196.5 mA h g-1的比容量,表现出优良的倍率性能。作者通过XPS光谱及原位XRD精确分析了硫化铜在电化学反应过程中的结构演化过程,并提出硫化铜的储钾反应机理,即:在首次放电过程中,CuS纳米片不可逆的转化生成CuKS,并由CuKS作为活性物质参与后续钾离子的嵌入/脱出反应,可逆生成铜单质和KxS。通过对比实验,发现材料表面氧化石墨烯的存在有效缓解了电化学反应过程中由于材料体积膨胀而导致电化学循环性能不稳定的问题。为了清楚地揭示电化学动力学,论文作者利用CV曲线计算得出:硫化铜在进行电化学储钾时,钾离子的电容行为和扩散控制过程共存,电容贡献在整个电化学反应过程中不可忽略,且随着扫描速率的增加,电容行为的贡献率逐渐增大。

研究者相信,对硫化铜储钾机理的深刻剖析为研究其它过渡金属硫化物的钾储存机制提供了更明确的方向,并为钾离子存储的负极材料设计提供新的思路。相关研究成果以“Facile Synthesis of Copper Sulfide Nanosheet@Graphene Oxide for the Anode of Potassium Ion Batteries”为题在线发表在Energy Technology(DOI: 10.1002/ente.201900987)上。