由于鉀元素豐富的儲(chǔ)量和低廉的價(jià)格，研發(fā)K-Se電池被認(rèn)為是解決當(dāng)今鋰電池成本過(guò)高的有效途徑。但是，K-Se電池目前還處于研究的初級(jí)階段，其儲(chǔ)能機(jī)制目前還尚待闡明，且具有高效的儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的電極材料也尚未有相關(guān)報(bào)道。

中科大的于彥教授與中科院大連物化所吳忠?guī)浗淌诘热撕献鳎ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)表征和理論計(jì)算相結(jié)合，對(duì)于Se正極中的儲(chǔ)鉀性能進(jìn)行了分析探討。相關(guān)論文以題為“Unraveling the Nature of Excellent Potassium Storage in Small-Molecule Se@Peapod-Like N-Doped Carbon Nanofibers”在Advanced Materials上發(fā)表。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003879

由于鉀相比鈉具有同樣豐富的儲(chǔ)量，但更低的電位，鉀離子電池近年來(lái)被廣泛認(rèn)為是鋰電池最有希望的潛在替代者之一。而且，隨著硒元素被開(kāi)發(fā)作為正極，其良好的電導(dǎo)率、與碳酸鹽電解質(zhì)優(yōu)異的相容性和極高的理論容量，進(jìn)一步提高了K-Se電池的競(jìng)爭(zhēng)力。但是K-Se電池反應(yīng)過(guò)程中的中間相溶解遷移和體積膨脹過(guò)大兩個(gè)問(wèn)題，K-Se電池的電化學(xué)性能一直不夠理想。并且K-Se電池的反應(yīng)過(guò)程和反應(yīng)機(jī)理也并未完全揭示，而深入理解電池材料的反應(yīng)機(jī)理是優(yōu)化電化學(xué)性能的前提。因此，K-Se電池還有待進(jìn)一步的研究。 ?

本文作者針對(duì)以上問(wèn)題，制備了自支撐豆莢狀氮摻雜多孔炭納米纖維作為K-Se電池正極。獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)可以負(fù)載大量的Se、縮短K+的擴(kuò)散路徑；氮摻雜炭增強(qiáng)了炭與硒化鉀之間的化學(xué)親和力；1D的納米線連接形成3D的互聯(lián)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，增加了材料的導(dǎo)電性，提高了倍率性能。電化學(xué)測(cè)試中，電極在0.5A g-1的電流密度下循環(huán)1670次后可逆容量依舊高達(dá)367 mA h g-1。此外，通過(guò)原位拉曼測(cè)試、非原位TEM、第一性原理計(jì)算等方法對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了分析。

結(jié)果表明Se的反應(yīng)過(guò)程主要為Se-K2Se-K2Se兩步的全固態(tài)反應(yīng)，有效抑制了多硒化合物短鏈小分子K2Sen（3≤n≤8）的產(chǎn)生，從而避免了多硒化物的穿梭效應(yīng)，大大提高了Se的利用率。 ?

總的來(lái)說(shuō)，作者制備了多孔豆莢狀1D納米纖維結(jié)構(gòu)氮摻雜碳纖維，具有良好的導(dǎo)電性和儲(chǔ)Se能力。并通過(guò)多種表征手段，對(duì)于反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)有效的抑制了小分子多硒化合物的形成，大大的緩解了穿梭效應(yīng)。該研究不但為后續(xù)K-Se電池正極的結(jié)構(gòu)提供了良好的設(shè)計(jì)思路，還對(duì)于K-Se電池的反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的研究，對(duì)未來(lái)K-Se電池的研究和優(yōu)化具有極其重要的意義

圖1?電極的設(shè)計(jì)和合成示意圖。

圖2 Se@NPCFs的電鏡表征圖

圖3?Se@NPCFs的電化學(xué)測(cè)試和對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果。

圖4 K-Se電池中Se@NPCFs的反應(yīng)機(jī)理分析。

圖5 K-Se電池中的不同電化學(xué)行為的研究

編輯：黃飛

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