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空心硫化物殼層結(jié)構(gòu)精確調(diào)控助力高溫鉀電池
近日，暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院教授賓德善、李丹團(tuán)隊(duì)通過(guò)精確調(diào)控空心硫化鋅/碳納米復(fù)合物（h-ZnS@C）的外殼厚度，獲得了研究殼結(jié)構(gòu)-儲(chǔ)鉀性能關(guān)系的模型電極材料，研究并揭示了空心顆粒殼厚度與儲(chǔ)鉀動(dòng)力學(xué)、穩(wěn)定性間的關(guān)系。在基于構(gòu)效關(guān)聯(lián)機(jī)制的認(rèn)識(shí)下，通過(guò)合理調(diào)控殼層結(jié)構(gòu)，獲得了適用于室溫及高溫環(huán)境下的高穩(wěn)定高容量?jī)?chǔ)鉀負(fù)極。相關(guān)成果發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》。
鉀離子電池資源豐富，是低成本電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的重要方向。然而，因鉀離子尺寸大，開發(fā)兼顧高比容量、高穩(wěn)定的鉀離子電池負(fù)極成為難題。特別地，對(duì)于高溫環(huán)境應(yīng)用場(chǎng)景，溫度升高將加劇電極材料結(jié)構(gòu)和性能的衰退。將高比容量?jī)?chǔ)鉀負(fù)極材料如合金負(fù)極、金屬硫化物設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，已被證實(shí)可以提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電極動(dòng)力學(xué)。
而對(duì)于金屬硫化物空心顆粒材料，殼層結(jié)構(gòu)（如殼厚度）極可能是影響空心金屬硫化物電極穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵因素，揭示其中的構(gòu)效關(guān)系對(duì)合理設(shè)計(jì)適用不同場(chǎng)景（包括極端溫度場(chǎng)景）的高容量、長(zhǎng)壽命電極材料具有重要意義。然而，由于缺乏有效的模型電極，殼層結(jié)構(gòu)如何影響空心電極顆粒性能的構(gòu)效關(guān)系仍難以被直接證明。
鑒于此，團(tuán)隊(duì)通過(guò)精確調(diào)控空心硫化物的殼層厚度，獲得了研究殼層結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)鉀性能間構(gòu)效關(guān)系的研究模型，證實(shí)了如下構(gòu)效關(guān)系：隨著殼厚的增加，電池循環(huán)穩(wěn)定性增強(qiáng)，但容量及倍率性能下降。這揭示了平衡殼層結(jié)構(gòu)變化對(duì)儲(chǔ)鉀性能帶來(lái)的正反兩種不同貢獻(xiàn)是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)綜合性能的關(guān)鍵。基于這一發(fā)現(xiàn)，本工作發(fā)展出了適應(yīng)于常溫和高溫鉀離子電池負(fù)極的空心硫化鋅-碳復(fù)合負(fù)極材料。
上述研究獲得了適用于常溫和高溫條件下的高比容量長(zhǎng)壽命儲(chǔ)鉀負(fù)極，提供了一種構(gòu)筑不同殼結(jié)構(gòu)空心顆粒的有效手段。同時(shí)提供了獨(dú)特的模型電極材料，直接揭示了殼層厚度與儲(chǔ)能性能間的構(gòu)效關(guān)系。當(dāng)前空心結(jié)構(gòu)顆粒在儲(chǔ)能、催化、吸附和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域備受關(guān)注，因此本研究將為如何設(shè)計(jì)和調(diào)控空心顆粒的殼層結(jié)構(gòu)，充分激發(fā)其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用潛力提供重要借鑒。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/ange.202402497
