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新型钾离子电池负极:类细胞碳微球

浏览: 发表时间:2020-12-30 15:05:07

来源:中国科学杂志社

钾离子电池是潜在的下一代大型储能系统,而能够稳定储钾的碳材料,特别是具有石墨结构的碳材料,是制备钾离子电池负极、促进钾离子电池工业化的基础。 

近日,受生物细胞结构的启发,研究者报道了一种类生物细胞的碳微球,并将其用作钾离子电池负极,获得了良好的效果。具体而言,碳微球的球壁(对应细胞膜)为非晶碳,球内为高度结晶的石墨烯片或碳纳米管,而且,球壁非晶碳中镶嵌有碳纳米管(对应于细胞膜上的离子通道)。20201229011527_f48fb9.jpg-orig

新型碳微球的结构示意图

此种碳微球用作钾离子电池负极有以下优势:1)球壁由非晶碳组成,其在充放电过程中的体积变化可忽略,且非晶碳表面能生成稳定的SEI膜,为钾离子电池高库伦效率提供了保障;2)球壁非晶碳中镶嵌的碳纳米管类似于细胞膜上的物质交换通道,可作为钾离子输运的快速通道及便于电解液的浸润,提高了钾离子电池的倍率性能;3)球内部高度结晶的石墨烯片或碳纳米管提供了低的放电平台,为高能量密度钾离子电池提供了可能。

应用于钾离子电池负极时,碳微球展现出高的可逆容量(100 mA g–1302 mAh g–1,500 mA g–1248 mAh g–1)、优异的循环性能(2100次循环后可逆容量为226 mAh g–1,在100 mA g–1的电流密度下连续运行时间超过15个月容量基本上没有衰减)和出色的倍率性能(1 A g–1时为160 mAh g–1)。

此外,以新型碳微球为负极、普鲁士蓝为电池正极的全电池具有高的放电容量和超稳定的循环性能。在500 mA g–1的电流密度下,全电池可提供80 mAh g–1的初始放电容量,活化后全电池容量达到了115 mAh g–1。循环1000次左右,容量仍大于110 mAh g–1,且库伦效率在电池的稳定循环中可以高达98%。20201229011527_fd7bd2.jpg-orig

(a)基于BCC和普鲁士蓝(PB)组装的钾离子全电池的示意图。(b)半电池和全电池的充放电曲线。(c)全电池的循环性能(500 mA g–1)。

这项研究为类锂离子电池负极材料的研发提供了一种新策略,为未来新型仿生电池材料的设计和制造提供了新途径,并促进了跨学科的合作研究。相关成果发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR),第一作者为湖南大学博士生丁红波,通讯作者为中南大学周江教授和湖南大学鲁兵安教授

来源:scichina1950 中国科学杂志社

原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3MzQ5MzQyNA==&mid=2656808563&idx=2&sn=3f1809f7e744915c6cf5bc7b51e25c3e

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