Small:碳包覆的钛酸钾负极材料助力高性能钾离子混合电容器

环境污染和能源短缺是当今人类在21世纪所面临的重要问题。随着化石能源储量的不断衰竭和温室效应的加剧,清洁能源技术逐步受到了广大专家学们的青睐。近些年来以锂离子电池为代表的碱金属二次电池在便携能源市场所占的比重不断增加。然而锂离子电池的发展受到了锂资源分布的不均衡和价格波动的影响,难以满足大规模化储能的需求。钾离子混合电容器(PIHCs)因其还原电势低,绿色环保且地壳中钾资源储备丰富,在保持钾离子电池较高的能量密度的同时又兼具电容器优异的功率密度,有望成为大规模电化学储能的首选。目前的钾离子混合电容器的循环稳定性较差、电解液分解严重等缺陷使得相关研究进展缓慢,制约了钾离子混合电容器的实际应用。与此同时,缺少具有良好倍率性能和循环稳定性的负极材料也在很大程度上限制了钾离子混合电容器性能的提升。

澳大利亚悉尼科技大学的汪国秀教授课题组首次将可大规模化生产的喷雾干燥技术同化学气相沉积技术(CVD)相结合,制备出了具有微米球状结构的碳包覆钛酸钾负极材料(S-KTO@C)。当作为钾离子电池负极时,S-KTO@C在0.1C(1C=160 mAh g-1)电流密度条件下放电比容量可达到155 mA h g−1,并且放电电压平台(0.38 V)相对于碳酸锂(1.55 V)和钛酸钠(0.8 V)都要低,同时又高于钾离子电池石墨(0.1 V)和硬碳(0.25 V)负极材料,这在确保高能量密度的同时也有效避免产生钾枝晶等安全问题。在1C电流密度条件下循环1000次后容量保持率为77.1%,表现出优异的循环稳定性。通过恒电流间歇滴定法(GITT)和循环伏安(CV)分析发现,经过碳包覆后的S-KTO@C材料的容量贡献更多的来自于具有赝电容特征的钾离子插入机制,因而在提升倍率性能的同时确保了良好的循环稳定性。借助于原位XRD技术进一步证实了钾离子能够可逆地从S-KTO@C中嵌入/脱出并保持其原有材料结构不发生变化。将S-KTO@C和活性炭进一步组装成钾离子混合电容器,其最大能量密度和功率密度为57.4 W h kg−1和1.74 kW kg−1,在5A g-1电流密度条件下经过3000圈循环后容量保持率可达80.3%。

此项研究在为钾离子混合电容器的发展提供新思路的同时,将表面包覆和大规模化生产技术相结合,有利于促进大规模化电化学储能设备的发展。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201906131)上。