Advanced Functional Materials:限域作用提升钾离子电池转化反应负极库伦效率

随着锂离子电池在规模储能领域的应用,锂资源在地壳中丰度低的问题引起研究者的关注。开发新型储能体系十分必要。在众多储能体系中,钾离子电池资源丰富、价格低廉,是规模储能理想的候选体系之一。高容量钾离子电池负极材料通常能够容纳一个或多个K+,但伴随着剧烈的体积膨胀。这一特点严重威胁着电极表面固体电解质中间相(SEI)的稳定性,导致电极库仑效率低、循环稳定性差。

基于钾离子电池负极材料方面的系列工作和思考,南开大学焦丽芳与信阳师范学院曹康哲博士提出通过限域作用诱导稳定SEI膜快速形成以解决上述问题。研究人员结合同轴电纺丝及原位硫化技术,成功将CuS及Nb2O5分别分散在碳纳米纤维的核层与壳层,构建了核-壳结构CuS-C @ Nb2O5-C纳米纤维(NFs)。在此结构中,壳层可保护CuS免于直接与电解质接触,并有效抑制其结构重构带来的体积膨胀,有助于快速形成稳定的SEI膜。研究结果表明,经过100个循环后,CuS-C @Nb2O5-C NFs电极的可逆储钾容量保持率为93.1%,大于CuS-C NFs电极的容量保持率(74.6%)。最为重要的是,CuS-C@Nb2O5-C NFs电极将库仑效率稳定在大于99.0%的循环周期从CuS-C NFs电极的30个循环缩短到5个循环。作为拓展,同样结构的CoS2、NiS2等电极中也表现出这一优势。跟踪表征电极结构和SEI膜变化发现,限域作用促进了稳定SEI膜的快速形成,并有效抑制活性物质的体积膨胀,维持了电极结构稳定。因此,利用限域作用能够提升电极库仑效率和循环稳定性,为构建高性能钾离子电池电极材料提供了新思路。

相关结果以Boosting Coulombic Efficiency of Conversion‐Reaction Anodes for Potassium‐Ion Batteries via Confinement Effect”为题,在线发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.202007712)上。