Small:原位限域策略构筑高性能钾离子电池负极材料

钾离子电池作为新型的二次储能电池,因其钾储量丰富、成本低廉、容量高等优点,对低成本大规模储能具有重要的战略意义。作为优化钾离子电池性能的关键,高性能电极材料的开发具有重要的意义。磷由于其具有超高理论比容量(2596 mAh/g)、价格低廉、环境友好等优势,是实现下一代高容量、高倍率、长寿命电池的关键材料之一。然而,由于磷低的电子导电(10-14 S cm-1),巨大的体积膨胀(>400%),严重限制了磷在钾离子电池中的应用。为了解决上述问题,发展了一系列金属-磷复合材料,如Ni2P, CoP, FeP等,然而非电化学活性组分将大大降低整体的比容量,而对于活性电化学组分如Sn、Ge等,虽然可以获得较高的比容量,但由于其巨大体积膨胀,易造成容量的快速衰减,因此,实现容量与循环稳定性的协同提升依然面临巨大挑战。

硒可以与K+发生多电子转换反应,具有较高的理论比容量。又由于材料带隙小,具有高的电子导电率(1×10-3 S cm-1),有利于电化学过程中电荷的快速传导。基于此,西安交通大学宋江选团队利用原位限域策略设计制备了多孔碳嵌入Se3P4纳米颗粒的复合材料,由于Se和P的协同效应,实现了钾离子的高效存储。相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201906595)上。

对于该复合材料,原位形成的Se3P4纳米颗粒被牢牢的限制在多孔碳纳米球中,可以有效缓解在长时间电化学反应中活性纳米颗粒的体积膨胀、剥离脱落,提高循环稳定性;其次,多孔碳球构筑的三维导电网络,可以有效提高复合材料的导电性,进行快速电荷传输;并且,由于特定的三维多孔结构,该材料具有较大比表面积,有利于电解液与复合产物的充分接触以及钾离子的快速交换。结果显示该材料具有高的比容量(1036.8 mAh/g)以及优异的循环稳定性(在1A/g的电流密度下循环300周,容量保持率~80%)。此外,该团队利用非原位XRD和XPS分析表征了Se3P4复合材料在充放电过程中的变化,研究了其储钾机制,证实了该复合材料优异的结构稳定性。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。