Small:碳包覆的鈦酸鉀負極材料助力高性能鉀離子混合電容器

2020-12-08 騰訊網

環境汙染和能源短缺是當今人類在21世紀所面臨的重要問題。隨著化石能源儲量的不斷衰竭和溫室效應的加劇，清潔能源技術逐步受到了廣大專家學們的青睞。近些年來以鋰離子電池為代表的鹼金屬二次電池在便攜能源市場所佔的比重不斷增加。然而鋰離子電池的發展受到了鋰資源分布的不均衡和價格波動的影響，難以滿足大規模化儲能的需求。鉀離子混合電容器（PIHCs）因其還原電勢低，綠色環保且地殼中鉀資源儲備豐富，在保持鉀離子電池較高的能量密度的同時又兼具電容器優異的功率密度，有望成為大規模電化學儲能的首選。目前的鉀離子混合電容器的循環穩定性較差、電解液分解嚴重等缺陷使得相關研究進展緩慢，制約了鉀離子混合電容器的實際應用。與此同時，缺少具有良好倍率性能和循環穩定性的負極材料也在很大程度上限制了鉀離子混合電容器性能的提升。

澳大利亞雪梨科技大學的汪國秀教授課題組首次將可大規模化生產的噴霧乾燥技術同化學氣相沉積技術（CVD）相結合，製備出了具有微米球狀結構的碳包覆鈦酸鉀負極材料（S-KTO@C）。當作為鉀離子電池負極時，S-KTO@C在0.1C（1C=160 mAh g-1）電流密度條件下放電比容量可達到155 mA h g-1，並且放電電壓平臺（0.38 V）相對於碳酸鋰（1.55 V）和鈦酸鈉（0.8 V）都要低,同時又高於鉀離子電池石墨（0.1 V）和硬碳（0.25 V）負極材料，這在確保高能量密度的同時也有效避免產生鉀枝晶等安全問題。在1C電流密度條件下循環1000次後容量保持率為77.1%,表現出優異的循環穩定性。通過恆電流間歇滴定法（GITT）和循環伏安（CV）分析發現，經過碳包覆後的S-KTO@C材料的容量貢獻更多的來自於具有贗電容特徵的鉀離子插入機制，因而在提升倍率性能的同時確保了良好的循環穩定性。藉助於原位XRD技術進一步證實了鉀離子能夠可逆地從S-KTO@C中嵌入/脫出並保持其原有材料結構不發生變化。將S-KTO@C和活性炭進一步組裝成鉀離子混合電容器，其最大能量密度和功率密度為57.4 W h kg-1和1.74 kW kg-1，在5A g-1電流密度條件下經過3000圈循環後容量保持率可達80.3%。

此項研究在為鉀離子混合電容器的發展提供新思路的同時，將表面包覆和大規模化生產技術相結合，有利於促進大規模化電化學儲能設備的發展。相關論文在線發表在Small(DOI: 10.1002/smll.201906131)上。

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