Advanced Energy Materials: K+在碳负极材料中插层控制和表面赝电容驱动机制的合理平衡

由于钾资源丰富、氧化还原电势低(-2.93 V vs. SHE)以及钾基电解质导电性高等特点,钾离子储能体系(如钾离子电池,PIBs)有望成为未来大规模储能应用中锂离子电池的重要补充。大量研究表明,碳材料由于其价格低廉、化学与物理性质稳定且合成简单等特点,是目前最具潜力的PIBs负极材料之一。然而,近几年碳材料的研究大多集中在一个或几个参数的结构设计和性能优化上,没有考虑到负极材料的整体性能优化,特别是从实际应用需求出发的材料设计。因此如何构筑具有高性能以及满足商业化应用的碳负极材料对于PIBs的发展具有重要意义。

基于碳的微观结构和放电行为,人们提出了插层、吸附、孔隙填充等几种电荷存储机制。一般来说,主要的电荷存储贡献包括:扩散控制的插层过程和表面驱动控制的(赝)电容过程。插层过程主导的碳材料一般为石墨类材料,其储钾来源主要基于K+在石墨碳层间的嵌入/脱出,因此存储容量依赖于离子状态、层间结构等。但是K+大的离子半径使得其在石墨层中的扩散缓慢,产生大的体积变化,导致石墨结构坍塌与循环稳定性差。表面驱动的(赝)电容K+存储主要为无定形碳材料(硬碳或软碳),其过程发生在表面或近表面区域,不会对电极材料造成破坏。因此,该储存机制主导的碳材料的性能与碳材料的比表面积、固有碳缺陷以及杂原子掺杂的功能位点等因素有关。虽然该存储机制可以提高碳负极材料的容量、倍率和循环性能,但会造成初始库仑效率较低、高压斜坡充放电行为以及材料密度低等不足,制约着表面驱动主导的碳材料在实际中的应用。

近日,西北工业大学材料学院纳米能源材料研究中心王洪强徐飞团队与德累斯顿工业大学Stefan Kaskel团队基于碳材料不同的储钾机制,提出了在设计碳结构时,应注意平衡插层和表面赝电容驱动电荷存储机制的个人观点,以实现兼具高初始库仑效率、充放电低压平台主导、大容量、高倍率性能和良好循环稳定性等优点的碳材料构筑。同时,还应考虑在实际条件下碳材料与电解液的匹配性以及电池组装技术。作者期望通过进一步地深入研究,可以更好地使K+存储的碳材料与实际应用相结合。

1. 插层控制和表面赝电容驱动K+存储机制及其各自优缺点的平衡示意图。

论文信息:

Perspective on Carbon Anode Materials for K+ Storage: Balancing the Intercalation-Controlled and Surface-Driven Behavior

Jiaying Yang, Yixuan Zhai, Xiuhai Zhang, En Zhang, Hongqiang Wang, Xingrui Liu, Fei Xu*, Stefan Kaskel*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202100856

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202100856