Small Structures:KNb3O8纳米棒的储锂行为研究及高性能锂离子电容器构建

研究背景

锂离子电容器因兼具超级电容器和锂离子电池的优点,近年来受到了研究者的广泛关注。而探索高容量、高倍率、长寿命的新型锂离子电容器负极材料,是构建高能量密度锂离子电容器的关键。铌酸钾(KNb3O8)是一种典型的层状化合物,具有高的理论容量(360 mAh g‒1、双电子转移Nb5+/Nb4+, Nb4+/Nb3+)、安全的放电平台、结构稳定无晶格畸变等电化学性能。但其导电率低,倍率性能较差,因而在实际应用中受到限制。

 

文章概述

近日,陕西师范大学雷志斌教授、李琪副教授联合报道采用一种简单的电化学沉积及低温热处理技术,在导电碳布(CC)柔性基底表面沉积了相互交织的KNb3O8纳米棒,研究了KNb3O8纳米棒的面积载量对CC-KNb3O8复合电极导电性及放电容量的影响,并将该复合电极应用于自支撑锂离子电容器负极,并系统地研究了其储锂性能(图1)。

图1 KNb3O8为负极的锂离子电容器结构

面积载量为2.8 mg cm‒2的KNb3O8纳米棒相互交织形成多级结构,缩短了离子扩散距离,促进了Li+的快速嵌入/脱出。电化学测试结果表明:在1.0~3.0 V的电压范围内,CC-KNb3O8电极具有1.2 V(vs. Li/Li+)的安全放电电位,且在0.01 A/g的电流密度下,放电容量可达271 mAh/g,经100圈循环后,容量仍能保持在225 mAh/g(图2)。

图2 CC-KNb3O8的XRD图(a),SEM照片(b),TEM照片(c)及电化学性能(d-f)

通过非原位的XPS测试分析表明:当放电电压由3.0降至1.64 V时,CC-KNb3O8电极中约98.4%的Nb5+还原为Nb4+,进一步放电至1.00 V时,仅有4.3% Nb4+还原为Nb3+。非原位XRD结果显示,在充放电过程中,随着Li+的嵌入/脱嵌,KNb3O8始终保持正交晶相,未发生明显的衍射峰偏移,表明KNb3O8纳米棒电极在Li+的嵌入/脱出过程中,具有稳定的晶体结构(图3)。

图3  铌元素在不同充放电阶段的价态变化与充放电电位图(a), CC-KNb3O8 电极不同充放电期间的XRD图(b),正交相KNb3O8沿不同晶面的结构(c-e)

以CC-KNb3O8为负极,活性炭为正极组装的锂离子电容器具有较大的电压窗口(0~3.5 V),在2 A/g的电流密度下连续充放电1000圈后,容量保持率高达88%,且在346 W/kg的功率密度下,最大能量密度为69 Wh/kg,可以驱动部分电子元器件长时间运转(图4)。本研究工作表明,在面向高能量密度的储能器件设计中,KNb3O8将可能成为一类极具发展潜力的铌基负极材料。

图4  锂离子电容器的电化学性能(a, b),Ragone图(c), 循环稳定性(d)及驱动电子设备演示实验(e)

论文信息:

Lithium Storage in KNb3O8 Nanorods for High-Energy Lithium-Ion Capacitor

Hui Sun, Fei Niu, Peng Yuan, Xuexia He, Jie Sun, Zonghuai Liu, Qi Li*, Zhibin Lei*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100029

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100029