Advanced Materials:CoPSe:一种稳定的高倍率钠/钾离子电池三元负极材料

由于钠/钾的天然丰富性和低成本,作为新兴能源存储系统的钠离子电池(SIBs)和钾离子电池(PIBs)被认为是锂离子电池(LIBs)的潜在替代品。然而,由于Na+/K+的大离子半径,电化学循环过程中存在电极体积变化大、氧化还原动力学迟缓等关键问题,从而导致循环和倍率性能较差阻碍了其实际应用。研究表明,构建具有原子级界面工程和电场效应的单相三元材料有望成为提升钠/钾离子电池电化学性能的有效策略。

近日,同济大学杨金虎教授研究团队首次报道了具有立方黄铁矿结构的三元金属磷硒化物CoPSe,其以纳米颗粒的形式嵌入到层状金属有机骨架(MOF)衍生的N掺杂碳基体(CoPSe/NC)中,作为钠/钾离子电池负极材料展现出优异的长循环稳定性和高倍率性能(论文信息附后)。

通过使用MOF作为模板和前体,结合原位同步磷化/硒化反应制备CoPSe/NC。与CoSe2或CoPS相比,合成的三元CoPSe/NC复合材料具有一系列优势:1)用P代替Se原子不仅提高了CoPSe的理论Na/K储存容量,而且在放电过程中具有更低的电化学应力。2)Se和P的存在对CoPSe中的中心金属Co原子的电子结构产生协同影响,使电化学反应动力学增强,氧化还原电势降低,从而使其全电池的能量密度高于CoSe2负极。3)与CoPS相比,CoPSe具有更高的固有电导率,且由于S被Se原子取代后抑制了穿梭效应。此外,CoPSe/NC复合材料独特的三维层状碳基体不仅可以加速离子和电子的传输动力学,而且可以抑制CoPSe纳米颗粒的聚集,从而有效提高电极稳定性,并缓解Na/K嵌入/脱出过程中的体积变化。因此,作为钠/钾离子电池负极,CoPSe/NC表现出出色的循环稳定性(5 A g-1下钠离子电池和钾离子电池的稳定循环圈数分别可达3000和2000次,每圈的容量衰减率约 0.01%)和良好的倍率性能(电流密度从0.05 A g-1增加到5 A g-1后,钠离子电池和钾离子电池的容量保持率分别为60.6%和51.3%)。此外,基于CoPSe/NC负极的钠离子全电池可实现274 Wh kg−1的高能量密度,超过基于CoSe2/NC的全电池和大多数基于P、Se或S二元/三元负极的钠离子全电池。

论文信息:

CoPSe: A New Ternary Anode Material for Stable and High-Rate Sodium/Potassium-Ion Batteries

Yutong Feng, Mengzhu Xu, Ting He, Bingjie Chen, Feng Gu, Lianhai Zu, Ruijin Meng, Jinhu Yang*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202007262