Advanced Energy Materials:揭秘高浓度醚类电解液 ——助力提升氧化物的储钾性能

 自锂离子电池商业化以来,由于其便携性和高能量密度,锂离子电池在电子领域占据了主导地位。然而,随着可再生能源和智能电网的快速发展,锂元素成本高、地球丰度低,对锂离子电池的发展造成了极大的制约。因此,发展钠/钾离子电池等基于廉价碱金属元素的储能系统替代方案备受关注。由于钾离子电池与锂离子电池有着相似的反应机制,这也引起了储能领域的兴趣,得益于钾元素的自然丰度。因此,钾离子电池也被认为是大型储能系统锂离子电池最有前途的替代品之一。然而,由于钾离子的离子半径较大,电极材料在充放电过程中应变变化较大,导致钾离子电池产生不可逆行为。因此,为钾离子电池设计合适的高比容量、高稳定性的负极材料就变得非常迫切。目前,金属氧化物作为负极材料在钾离子电池中具有良好的电化学性能,成为了当前的一个研究热点。然而,由于其在嵌钾脱钾过程中的电化学反应动力学缓慢,大多数的过渡金属硫化物比容量低、倍率特性差、循环寿命短。为了进一步提高过渡金属氧化物的储钾性能,可合理优化醚类电解液来进一步提升其电化学性能。但是当前在钾电领域关于如何合理地构建稳定的醚类电解液的研究还不够成熟。

最近,暨南大学物理系麦文杰课题组尝试设计氧化锑-石墨烯复合物,并协同高浓度醚类电解质进行优化,发现在高浓度醚类电解质的作用下可获得超稳定的电化学循环性能。在高浓度醚类电解液作用于氧化锑-石墨烯复合物时,在500 mA g-1的电流密度下循环3300次后,其可逆比容量仍高达201 mAh g-1,且无明显的衰减。通过对其电化学性能进行计算,发现氧化锑-石墨烯复合物在醚类电解液中钾离子中具有较低的离子迁移障碍,进而提升其储钾能力。此外,通过对其循环过程中进行非原位测试,揭示了氧化锑-石墨烯复合物在醚类电解液中的电化学反应机制。

研究者相信,此项研究可以为利用醚类电解液提升钾离子电池的电化学性能提供深入的认识和新的见解。相关论文以长文形式在线发表在 Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201903455)上。

论文共同第一作者为暨南大学物理系博士后黎晋良和本科生庄凝,通讯作者为暨南大学物理系李希波博士、麦文杰教授与澳大利亚昆士兰大学Yusuke Yamauchi教授。该课题得到国家自然科学基金(51702056, 51772135, 21703081),中国教育部(6141A02022516),中国博士后基金(2017M622902, 2019T120790)的资助与支持。