Small Methods:电化学分析方法和原位表征技术对钾电中储钾机理的深入探索

钾离子电池目前的主要进展是基于电极材料、电解液和其他成分的优化。更重要的是,优化这些关键成分的前提是对钾离子电池电化学反应过程进行深入和全面的探索,包括形态和结构的演变、相变过程、界面行为和钾离子扩散移动等方面。因此,通过传统的电化学分析方法和先进的原位电化学表征技术对上述反应过程进行分析,可获得对容量衰退和界面动力学复杂机制的深入见解,阐明钾离子电池中的储钾机理,为钾离子电池的进一步实际应用提供依据。

暨南大学李宏岩课题组对用于探究钾离子电池中的储钾机理的传统电化学分析方法和先进的原位电化学表征技术进行了全面的阐述和总结,对这些技术的应用、面临的挑战和发展趋势进行了论述,同时重点阐明了这些技术是如何深入分析钾离子电池中的内部储钾机理。该综述为对钾离子电池内部电化学反应过程和材料储钾机理的先进表征技术的选用和联用提供了指导,让读者更深入的了解钾离子电池的相关研究。

论文首先介绍了传统的电化学分析方法,包括循环伏安法(CV), 恒电流间歇滴定技术(GITT)和原位电化学阻抗(In situ EIS),以及先进的原位电化学表征技术,包括原位X射线衍射(In situ XRD), 原位X射线吸收光谱(In-situ XAS), 原位拉曼(In-situ Raman), 原位透射电子显微镜(In-situ TEM), 原位扫描电子显微镜(In-situ SEM)和原位原子力显微镜(In-situ AFM),着重概述了这些电化学方法和技术的工作原理、关键设备及在钾离子电池中探究的实际应用场景。详细综述并进一步讨论了它们的研究重点、优势和在应用过程中的研究所得结果,并通过与在其他金属基电池中的研究应用方面进行了对比和分析。随后,文章总结分析了这些电化学方法和技术在钾离子电池研究中的发展前景。例如:

(1) 优化钾离子电池正极和负极材料是提高钾离子电池电化学性能的关键策略之一。钾离子电池的正极极材料可分为聚阴离子化合物、普鲁士蓝类似物(PBA)、层状金属氧化物/硫化物(KMO/KMS)和有机正极材料。通过调节它们的结构和/或形态,能够提高能量密度和工作电压。负极材料包括插层、转化和合金材料,重点是提高储钾能力和长循环性能。而电极材料的优化仅仅是第一步,深入分析这些优化材料用作电极的电化学过程对于提供有价值的信息至关重要。因此,利用原位XRD和原位TEM以及其他原位技术,分别探索各种相变和结构演变,将为这些电极材料的进一步优化改性指明方向;

(2)电解液、粘结剂和隔膜对于钾离子电池电化学性能的影响也不容忽视。特别是电解液/电极界面上的电化学行为值得更多关注。负极上的SEI和正极上的CEI层的形成及其特性在钾离子电池的设计和匹配中起着至关重要的作用。此外,需要考虑一些有机电解质和钾枝晶生长的安全性。因此,新兴的原位表征技术,如原位Raman和原位TEM,有助于揭示界面机制和监测界面变化;

(3)从理论和实验上全面了解钾离子电池的储存机理意义重大。原位电化学表征技术广泛应用于从实验角度研究钾离子电池,而同时致力于更多的理论研究,可激发对钾储存的深刻理解。因此,同时结合实验和理论数据是定量研究钾离子电池储能机理的明智选择。文章最后讨论了电化学方法和表征技术的挑战和机遇,并对它们的未来发展方向提供了一些有价值的方案和建议。

论文信息:

In-depth Mechanism Understanding for Potassium-Ion Batteries by Electroanalytical Methods and Advanced In Situ Characterization Techniques

Xi Liu, Yong Tong, Yuanji Wu, Jiefeng Zheng, Yingjuan Sun*, Hongyan Li*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202101130

原文链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202101130