南京师范大学周小四团队在钾离子电池负极材料方面获系列进展

原标题:南京师范大学周晓思团队钾离子电池正极材料取得系列进展。

锂离子电池作为智能手机和电动汽车等现代移动设备的主要电源，已经发展得非常成熟。然而，锂资源储量有限、地域分布不均，极大地阻碍了锂离子电池在大规模储能中的应用。为了应对锂资源的持续消耗，寻找锂离子电池的替代储能装置进行大规模应用是非常重要的。开发资源丰富、成本低廉的储能器件，有望解决目前锂离子电池的局限性。考虑到原材料成本、电解质中快速的离子传输动力学、钾的低标准还原电位、较小的溶剂化离子和合适的嵌入电位等优势，钾离子电池是下一代储能设备的非常有前途的候选。虽然可以使用石墨阳极，但其能量密度仍难以满足商业应用的需要。因此，设计和合成长寿命、快速充放电、高能量密度的钾离子电池正极材料具有重要意义。近日，南京师范大学化学科学研究所周晓思教授课题组在钾离子电池负极储能材料领域进行了深入研究，取得了一系列重要研究进展。

结果(1):通过简单的两步合成法，将超小SnTe纳米粒子与多层石墨烯片(SnTe/MGS)复合，获得了理想的钾离子电池正极材料。相关结果发表在《化学工程杂志》(Chem。英格。J. 2022，135100)，题目为“通过嵌入snte纳米颗粒的多层石墨烯片实现的高稳定性钾离子电池阳极”。《化学工程学报》是具有国际影响力的SCI核心期刊，影响因子为13.273。

SnTe是典型的窄带隙IV-VI族半导体材料，带隙能量为0.18 eV。由于其独特的热力学和电学特性，被广泛应用于制造相变存储材料、太阳能电池和红外器件。SnTe具有典型的层状结构，可以促进K+的快速扩散。此外，Sn和Te都可以与大量的钾离子形成合金，这有助于SnTe的高理论容量。SnTe的密度远高于其他锡基化合物(6.445g cm3)，因此应用于钾离子电池负极时表现出更大的体积比容量。上述优点表明，SnTe是一种很有前途的高容量、高稳定性的钾离子电池正极材料。但根据现有文献的调查，还没有将其作为钾离子电池正极材料的研究。

本文采用两步高能球磨法将SnTe纳米粒子均匀地限制在多层石墨烯片中。SEM、TEM和BET分析表明，复合材料具有交错的多孔结构，可以提供足够的活性位，缓解电极材料在循环过程中的体积变化。CV原位XRD结果证实该负极材料具有转化和合金反应相结合的两步K+储存机制。GITT、EIS测试和DFT计算证明SnTe/MGS具有良好的离子和电子传输动力学。因此，制备的SnTe/MGS负极具有优异的K+储存性能，包括良好的倍率性能(0.1ag1时的比容量为345.7 mAh G1，2ag1时为180.1 mAh G1)和稳定的循环性能(0.5ag1电流密度下1000次循环后的可逆容量为279.4 mAh G1)。还需要强调的是，本文首次将SnTe用作钾离子电池的阴极，为高稳定性钾离子电池提供了一种很有前途的阴极材料。化学科学院19级博士生杜是本文第一作者，南京师范大学是唯一通讯单位，周晓思教授和鲍建春教授是合著者。

结果(2):通过高能球磨将超小Sn4P3纳米颗粒嵌入多层石墨烯片(MGS)中，制备了Sn4P3/MGS复合材料，并用作钾离子电池的正极材料。相关结果发表在能源化学(J. Energy Chem。2022 413421)，标题为“SN4P3纳米掩模在多层图表中被确认为钾离子电池的高性能阳极材料”。《能源化学》是中国具有国际影响力的SCI核心期刊，影响因子为9.676。

XRD测试结果表明，Sn4P3/MGS-80复合材料对应于菱形Sn4P3相(JCPDS cardNo。71-2221).扫描电镜和透射电镜分析表明，Sn4P3/MGS-80具有小而厚的片层结构，而超小Sn4P3纳米颗粒均匀分布在片层结构的中间。此外，d间距为0.34 nm的晶格条纹对应于菱形Sn4P3的(012)晶面，这进一步证实了Sn4P3的高纯相。EDX元素分布图显示Sn和P元素均匀地分布在多层石墨烯片中。均匀分散的Sn4P3纳米粒子与石墨烯涂层相互接触，形成三维网络结构，不仅能有效缓解材料在循环过程中的体积变化，还能为离子和电子提供连续的传输路径，大大提高了钾的存储性能。此外，二元合金Sn4P3结合了Sn和P的优点，具有较高的理论比容量和电子电导率。高导电多层石墨烯片不仅提高了材料的整体导电性，还极大地缓解了Sn4P3的聚集，有效地改善了负极材料的动态过程。

由于Sn4P3纳米粒子和多层石墨烯片的协同作用，该复合材料用作钾离子电池负极时，在0.1ag1的电流密度下循环100次后的比容量为393.3mahg1，当电流密度增加到2ag1时，其比容量仍为215.7mahg1。同时，Sn4P3/MGS-80电极也表现出优异的长循环稳定性。1000次循环后，电极的比容量稳定在245.5 Mahg1，容量保持率为76.6%。化学科学院19级博士生杜是本文第一作者，南京师范大学是唯一通讯单位，周晓思教授和鲍建春教授是合著者。

结果(3):通过简单的溶剂热法和后续的低温硫化新工艺，制备了嵌入中空碳纳米球的超小Fe7S8纳米晶(Fe7S8@HCSs)。Fe7S8@HCS复合材料凭借精致的medium 空纳米结构、超小的活性粒径和导电碳基体表现出优异的储钾性能。相关结果发表在《胶体与界面科学杂志》(J. colloid interface sci。2022，840848)，题目为“将Fe 7 S8纳米球引入中空碳纳米球以实现高效钾储存”。《胶体与界面科学杂志》是国际知名学术期刊，影响因子为8.128。

SEM和TEM图像揭示了所合成的Fe7S8@HCSs的详细形貌和微观结构，其显示出清晰的球形结构和均匀的尺寸分布，直径约为670 nm。外壳和中心空间隙之间的颜色深度对比清楚地说明了产品的中等空属性。放大倍数更高的TEM图像显示，许多超小纳米颗粒(~10 nm)分布在介质空碳球中，并表现出高度的均匀性和分散性。HRTEM用于进一步表征Fe7S8@HCSs的晶体结构。结果表明，特征层间距约为0.207 nm，与Fe7S8的(402)晶面间距相匹配。与Fe7S8@HCSs相关的EDX元素图清楚地显示了C、S和Fe的均匀分布，重量比分别为9.1%、35.2%和55.7%。

由于超细Fe37s8纳米颗粒和精细的中等空碳纳米结构，Fe7S8 @ HCS电极显示出显著增强的钾离子储存容量。具体而言，Fe7S8@HCS电极显示出非常可观的可逆容量(523.2 Mahg1，0.1 Ag1，100次循环)、优异的倍率性能(176.7 Mahg1，5 Ag1)和高达500次循环的长循环稳定性(235.5 Mahg1，0.5 Ag1)。化学科学院21级博士生徐一凡为论文第一作者，南京师范大学为第一通讯单位，周晓思教授、孙冬梅教授为论文合著者。

来源:南京师范大学

纸质链接

https://www . science direct . com/science/article/pii/s 1385894722006064

https://www . science direct . com/science/article/pii/s 2095495621004666

https://www . science direct . com/science/article/pii/s 002197972200265 x返回搜狐查看更多。

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