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我校化科院周小四教授课题组在钾离子电池负极材料方面取得系列重要研究进展

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锂化合物容量充电充电当做智力电话、电动伸缩二手车等很多活动产品的最主要的电源模块已成长的相当更加成熟。或许,锂网络生产投入量储量不多和具体划分不均匀的故障 较大地阻拦了锂化合物容量充电充电在大面积储蓄势能中的选用软件。成了对付锂网络生产投入量的不断地花费,选择锂化合物容量充电充电的使用储蓄势能配置来说大面积选用软件至关比较重点,的开发网络生产投入量多种多样且生产投入投入的储蓄势能配置有机会来解决之前锂化合物容量充电充电的片面性的只性。决定到钢筋取样料生产投入和电解法质中的怏速化合物发送推动结构力学、钾的低标准规定保存电极电位差、较小的溶液化化合物和更加合适的插层电极电位差等主要优势,钾化合物容量充电充电是下那代储蓄势能产品相当有出息的得票数者。只不过石墨负极能选用软件,但势能容重计算仍根本无法满足了商务化选用软件的标准。因为,方案生成长期、可怏速充击穿且享有高势能容重计算的钾化合物容量充电充电负极素材真正意义特大。近日,该校化科院周小四专家教授难题组在在钾化合物容量充电充电负极储蓄势能素材范畴完成深入基层科学论述,作为一系类比较重点科学论述进展情况。

成果(1):通(tong)过一种简易的两(liang)步合成法将超小的SnTe纳米颗粒与多层石(shi)墨烯片复合(SnTe/MGS),从而得到(dao)理想的钾离子🌞电池(chi)负(fu)极材料。💞相关成果(guo)以“A highly stable potassium-ion battery anode enabled by multilayer graphene sheets embedded with SnTe nanoparticles”为题发表在Chemical Engineering Journal上(Chem. Eng. J. 2022, 135100)。Chemical Engineering Journal是(shi)具有国际影响力(li)的SCI核心期刊(kan),影响因(yin)子为13.273。

SnTe是一种典型的窄带隙IV-VI族半导体材料,其带隙能为0.18 eV,由于其独特的热力学和电子特性,已被广泛用于制造相变存储材料、太阳能电池和红外器件等。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都可以与大量钾离子形成合金,这有助于SnTe拥有高理论容量。SnTe的密度远高于其它Sn基化合物(6.445 g cm−3),因此在应用于钾离(li)子电池负(fu)极时表(biao)现出更(geng)大的(de)(de)体(ti)积(ji)比容量。上(shang)述优点表(biao)明,SnTe是一种非常(chang)有(you)(you)前(qian)途(tu)的(de)(de)钾离(li)子电池的(de)(de)高容量高稳定性负(fu)极材料。然而,根据对当(dang)前(qian)已有(you)(you)文献的(de)(de)调(diao)查,尚未有(you)(you)关于其作为钾离(li)子电池负(fu﷽)♎极材料的(de)(de)研究。

在本文中,通过两步高能球磨将SnTe纳米颗粒均匀地限制在多层石墨烯片中。SEM、TEM和BET分析显示该复合物拥有相互交错的多孔结构,这种结构可以提供足够的活性位点并缓解循环过程中电极材料的体积变化。CV和非原位XRD结果验证了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计算证明了SnTe/MGS出色的离子和电子传输动力学。因此,所制备的SnTe/MGS负极具有优良的K+存储性能,包括良好的倍率性能(0.1 A g−1时比容量为345.7 mAh g−1,2 A g−1时为180.1 mAh g−1)以及稳定的循环性能(0.5 A g−1电流密度下经1000次循环后的可逆容量为279.4 mAh g−1)。还应(ying)该强调的(de)(de)是(shi)(shi),本文(wen)首次将SnTe用作钾离(li)子电池的(de)(de)负极,为高(gao)稳定性的(de)(de)钾离(li)子电池提供(gong)了一(yi)种有前(qian)途的(de)(de)负极材料。我校化(hua)科院19级(ji)博士生杜忆(yi)忱是(shi)(shi)该论文(wen)的(de)(de)第一(yi)作者,南♔京师范大学(xue)为唯一(yi)通讯单位,周小四(si)教(jiao)授(shou)和包建(jian)春教(jiao)授(shou)为共同(tong)通讯作者。

成果(2):通过高能球磨法将超小的Sn4P3纳米颗粒包埋在多层石墨烯片层(MGS)中,得到Sn4P3/MGS复合材料,并将其用于钾离子电池负极材料。相关成果以“Sn4P3nanoparticles confined in multilayer graphene sheets as a high-performance anode material for potassium-ion batterꦬies”为(wei)题发表在Journal of Energy Che💞mistry(J. Energy Chem. 2022 413‒421)上。Journal of Energy Chemistry是(shi)我国(guo)具有国(guo)际影响力(li)的SCI核(he)心(xin)期刊,影响因子为(wei)9.676。

XRD测试结果显示Sn4P3/MGS-80复合物对应菱形Sn4P3相(JCPDS card No. 71-2221)。扫描电镜和透射电镜分析显示Sn4P3/MGS-80为小且厚的片层结构,而超小的Sn4P3纳米颗粒均匀地分布在片层中间。此外,d间距为0.34 nm的晶格条纹对应于菱形Sn4P3的(012)晶面,进一步证实了Sn4P3的高纯度相。EDX元素分布图则表明Sn和P元素均匀地分布在多层石墨烯片层中。均匀分散的Sn4P3纳米颗粒和石墨烯包覆层互相接触形成三维网络结构,这种结构不仅可以有效的缓解材料在循环过程中的体积变化,还为离子和电子提供了连续的传输路径,极大的改善了储钾性能。并且二元合金Sn4P3结合了Sn和P的优势,同时拥有较高的理论比容量和电子导电性。高导电性的多层石墨烯片既提高了材料的整体导电性,还极大的缓解了Sn4P3的聚集,有力(li)地改善(shan)了(le)负极材(cai)料的动力(li)学过程。

得益于Sn4P3纳米颗粒和多层石墨烯片之间的协同作用,该复合物在作为钾离子电池负极时在0.1 A g−1的电流密度下经100圈循环后比容量为393.3 mAh g−1,当电流密度提高到2 A g−1,其比容量仍有215.7 mAh g−1。同时,Sn4P3/MGS-80电极还表现出优异的超长循环稳定性,经1000圈循环后,该电极的比容量仍稳定在245.5 mAh g−1,容量(lian🍬g)保持率为(wei)76.6%。我校化科院19级博士生杜忆(yi)忱是(shi)该论文的第一作者,南(nan)京师范大(da)学为(wei)唯一通(tong)讯单位,周小四教(jiao)授(shou)和包(bao)建春教(jiao)授(shou)为(wei)共同通(tong)讯作者。

成果(3):通过简便的溶剂热法和随后的新型低温硫化工艺制备了嵌入中空碳纳米球的超小Fe7S8纳米晶体(Fe7S8@HCSs)。Fe7S8@HCS复合材料凭借精致的中空纳米结构、超小活性粒径和导电碳基体,表现出优异的储钾性能。相关成果以“Implantation of Fe7S8Nanocrystals into Hollow Carbon Nanospheres for Efficient Potassi🌟um Storage”为题发表在(zai)Journal of Colloid and Interface Science上(J. Colloid Interface Sci.2022, 840‒848)。Journal of Colloid and Interface S♛cience是国际知名学术期刊(kan),影响(xiang)因子(zi)为8.128。

SEM和TEM图像揭示了所合成的Fe7S8@HCSs详细的形貌和微观结构,其表现出明确的球形结构和均匀的尺寸分布,直径约为670 nm。外壳和中心空隙之间存在的颜色深度对比清楚地阐明了产物的中空属性。更高倍数的TEM图像则显示出许多超小的纳米粒子(~10 nm)分布在中空碳球中,并且表现出高度的均匀性和分散性。使用HRTEM进一步表征Fe7S8@HCSs的晶体结构,结果显示其特征层间距约为0.207 nm,与Fe7S8的(402)晶面间距相匹配。Fe7S8@HCSs的相关EDX元(yuan)素映射(﷽she)图清楚地(di)表(biao)明C、S和Fe的均匀分(fen)布,重量比分(fen)别为9.1%、35.2%和🦄55.7%。

由于超细的Fe7S8纳米颗粒和精细的中空碳纳米结构,Fe7S8@HCS电极表现出显著增强的钾离子储存能力。具体来说,Fe7S8@HCS电极显示出非常可观的可逆容量(523.2 mAh g−1,0.1 A g−1,100次循环),出色的倍率性能(176.7 mAh g−1,5 A g−1)和高达500次的长循环稳定性(235.5 mAh g−1,0.5 A g−1)。我校化科院21级博士研究(jiu)生徐一帆是该论文的(de)第一꧙作者,南京师范(fa♓n)大学为第一通讯(xun)单位,周小四教(jiao)(jiao)授和孙冬梅教(jiao)(jiao)授为共同(tong)通讯(xun)作者。

  • 更新时间
    明年07月03日 10:06
  • 阅读量
  • 供稿
    化科院
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