Advanced Science:人工SEI膜用于高性能钾-石墨负极

石墨因其成本低、低电压平台、化学稳定性好、生态友好、安全性好等优点,已成为极具发展前景的钾离子电池负极材料之一。钾离子电池(PIBs)负极的固体电解质界面(SEI)对高活性钾离子电池的安全性和长期循环稳定性能起着决定性的作用。石墨作为钾离子电池的负极,在传统的碳酸盐电解液中循环几圈后石墨负极表面会形成一层不均匀的,间断式的有机SEI膜,其成分主要是碳酸盐,这种传统的有机SEI膜会与水和空气高速反应,从而会导致钾离子电池无法实现长期循环稳定性以及潜在的安全风险。更重要的是传统的石墨作为钾离子电池的负极其首次库伦效率非常低,考虑到首次库伦效率对商业可充电电池的重要意义,迫切需要提高PIBs石墨负极的首次库伦效率。

湖南大学机械与运载工程学院韩旭教授团队的博士生刘倩及和合作者针对这一问题,采用一种简单、可商用的方法首次在石墨负极上设计了一种超薄、均匀、致密、稳定的人工无机SEI膜,可以用于传统碳酸盐电解液体系中来提高石墨负极的电化学性能。相关结果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.202003639)上。

实现钾石墨负极在传统电解液体系中的高首次库伦效率、长循环是钾离子电池工业化的基础。据此,韩旭教授团队利用利用钾金属和石墨之间的电位差,以及K+的扩散和KFSI的分解,可控地在石墨负极表面设计了一种无机成分的SEI膜。钾金属和石墨碳的电位差,致使钾离子会自发扩散到石墨电极,而高浓度KFSI的电解液作为钾离子传输媒介,同时可以自发的在石墨负极生成无机SEI膜,避免了全电池组装时钾离子生成SEI膜的大量消耗。结果表明,采用人工无机SEI膜的商业石墨负极展现出了优异的电化学性能,超过500次循环的长循环稳定性,在100 mA g-1电流密度下,可逆容量达到260 mAh g-1,且容量保持率高达100%。更重要的是,设计的人工无机SEI膜的石墨作为钾离子电池的负极的首次库伦效率可高达93%(这是迄今为止关于PIBs负极所有报道中首次库伦效率最高的,为石墨负极的商业化提供了基础),此外,将设计出的人工无机SEI膜的石墨负极应用到组装全电池中也表现出优异的电化学性能。