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基于鉀離子電解液的雙碳電池

發(fā)布時(shí)間:2017-08-08 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】目前鋰離子電池(LIBs)主導(dǎo)了便攜式電子設(shè)備、電動車(EVs)和智能電網(wǎng)等電化學(xué)儲能領(lǐng)域。然而鋰資源短缺、地理分布不均以及成本上漲成為亟待解決的問題,因此,儲量豐富成本低的新型電池系統(tǒng)如鈉離子電池(SIBs),鋁離子電池(AIBs)和雙離子電池(DIBs)引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。
 
由于鉀具有與鋰相似的性質(zhì)而且儲量豐富,鉀離子電池(KIBs)也具有極大應(yīng)用潛力。與SIBs相比,KIBs因?yàn)殁浘哂休^低的氧化還原電位而提供更高的工作電壓。此外,K+已經(jīng)被證明可以可逆地嵌入/脫嵌石墨電極,而Na+卻非常有限。然而,KIBs的研究仍處于起步階段,原子尺度和界面的機(jī)理尚不清楚。此外,由于K+尺寸偏大會導(dǎo)致動力學(xué)不穩(wěn)定,只有幾種正極材料(普魯士藍(lán)及其類似物等)和負(fù)極材料(石墨、Sn4P3/C等)得以研究。因此,開發(fā)具有良好性能的合適的電極材料以及全面研究KIBs機(jī)理非常重要。
 
成果簡介
 
近日,中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院唐永炳研究員(通訊作者)課題組在Adv. Energy Mater.上發(fā)表了一篇名為“A Dual-Carbon Battery Based on Potassium-Ion Electrolyte”的文章。研究人員開發(fā)了基于鉀離子電解液的新型雙碳電池(命名為K-DCB),其中中間相碳微球作為負(fù)極材料,膨脹石墨作為正極材料。實(shí)驗(yàn)人員研究了K-DCB的工作機(jī)理:充電時(shí),K+運(yùn)動到石墨負(fù)極并嵌入到石墨層間形成插層化合物,同時(shí)PF6-運(yùn)動到正極,插層到中間相碳微球的層間;放電時(shí)則相反。結(jié)果表明,該K-DCB在3.0~5.2V的電壓窗口范圍,1C的電流密度下可以提供61mAh g-1的可逆比容量,并且具有良好的循環(huán)性能,循環(huán)100次后容量幾乎無衰減。此外,該K-DCB具有較高的放電中值電壓(4.5V),能夠滿足一些高電壓設(shè)備的要求。K-DCB具有環(huán)保、成本低、能量密度高等優(yōu)點(diǎn),對未來能源儲存應(yīng)用極具潛力。
 
圖文導(dǎo)讀
 
圖1.基于鉀離子電解液的K-DCB的充放電機(jī)理示意圖
 
a)含鉀離子電解液的K-DCB的充放電機(jī)理示意圖
b)1C下的充放電曲線
c)相應(yīng)的dQ / dV微分曲線
 
圖2.PF6-嵌入/脫嵌正極石墨層的過程分析
 
a)1C電流密度下第一次充電-放電循環(huán)過程中記錄的EG正極的非原位XRD圖
b)1C電流密度下第一次充電-放電循環(huán)過程中記錄的EG正極的非原位拉曼光譜
 
圖3.基于1 M KPF6 /(EC:DMC:EMC = 4:3:2)的K-DCB電化學(xué)性能分析
 
a)在1、2、3C不同電流密度下電池的充放電曲線
b)不同電流密度下的充放電容量和相應(yīng)的庫侖效率
c)在1C下K-DCB循環(huán)100次的循環(huán)性能
 
圖4.K-DCB的循環(huán)性能分析
 
a)第20、50和100次循環(huán)過程中K-DCB的充放電曲線
b)循環(huán)之前,第5、10和30個(gè)循環(huán)之后,K-DCB的奈奎斯特圖
c)K-DCB在1C下循環(huán)100次的放電中值電壓。
 
小結(jié)
 
研究人員開發(fā)了一種基于中間相碳微珠負(fù)極和膨脹石墨正極的鉀型雙離子電池K-DCB,電解液為1 M KPF6/EC+DMC+EMC(4:3:2 v/v/v)。K-DCB的工作機(jī)理涉及K+在MCMB負(fù)極上的嵌入/脫嵌過程和PF6-陰離子在EG正極上的嵌入/脫嵌過程。K-DCB顯示出良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和優(yōu)異的循環(huán)性能。由于環(huán)保友好,安全性高,成本低,能量密度相對較高等優(yōu)點(diǎn),K-DCB具有成為下一代可再生能源儲存設(shè)備的潛力。
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