具有超長循環(huán)能力的氟草酸鹽鉀電正極材料
發(fā)布時間：2020-09-03 作者：harry 分享到：
鉀離子電池具有低成本和高倍率性能的優(yōu)勢，可用于大規(guī)模的能量存儲。然而，由于缺乏合適的正極材料，鉀離子電池的發(fā)展仍處于起步階段。本文證明了先前已知的磁阻材料KFeC2O4F可以用作鉀離子存儲的穩(wěn)定正極，并在0.2 A g-1時具有約112 mAh g-1的放電容量，且在2000次循環(huán)后容量保持在94％。其高循環(huán)穩(wěn)定性歸因于剛性骨架結構及三個鉀離子擴散通道的存在，當發(fā)生Fe2+/Fe3+氧化還原反應時，其本征的結構特征可將體積波動降至很低。此外，將此KFeC2O4F正極與軟碳負極匹配制得的鉀離子全電池，其倍率性能**，在200個循環(huán)內(nèi)容量衰減幾乎可忽略不計。近日，中國科學院深圳**技術研究院的唐永炳研究員帶領團隊與清華-伯克利深圳學院的成會明教授合作在Nat. Commun.上發(fā)表了一篇題為“A fluoroxalate cathode material for potassium-ion batteries with ultra-long cyclability”的論文。研究人員發(fā)現(xiàn)磁性材料KFeC2O4F具有類似于普魯士藍類似物（PBAs）的3D開放結構，這對于鉀離子存儲非常有優(yōu)勢。因此，研究人員通過實驗和理論方法對KFeC2O4F作為KIBs正極材料進行了系統(tǒng)的電化學研究。經(jīng)過優(yōu)化后，獲得112 mAh g-1的穩(wěn)定容量，在2000次循環(huán)后具有94％的容量保持率，單次循環(huán)容量衰減為0.003％，這是目前已有報道里穩(wěn)定的KIBs正極材料。此外，將該KFeC2O4F正極與軟碳負極匹配構建的鉀離子全電池可表現(xiàn)出約85 mAh g-1（基于正極的質量）的可逆容量及**的倍率性能，在200個循環(huán)內(nèi)容量衰減可忽略不計。該工作為開發(fā)高穩(wěn)定和低成本的鉀型儲能體系提供重要支持。a）合成的單晶光學圖像，插圖顯示了四棱柱狀單晶，尺寸約為1.0×0.6×0.5 mm；c）TEM圖像及EDS元素分布（比例尺= 500 nm）；d）0.2 A g-1下進行2000次循環(huán)的循環(huán)性能；f）平均放電電壓。插圖為后30個循環(huán)的充放電曲線；g）與已報道的鉀電正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性比較。a）KFeC2O4F結構沿[100]、[010]和[001]方向的投影以及相應的離子擴散通道及尺寸，[FeO4F2]八面體以棕色表示；b）DFT計算KFeC2O4F在鉀化/去鉀化狀態(tài)下的晶胞結構；c）K1-xFeC2O4F的晶格參數(shù)和體積與x的關系。a）K1-xFeC2O4F在原始、半充和滿充狀態(tài)（x = 0、0.5、1）時的原子結構；b）Fe 3d軌道的電子態(tài)密度（DOS）；d）草酸根基團在原始與滿充狀態(tài)下費米面附近電荷密度圖（能量>2.5eV）；圖6 基于KFeC2O4F正極、軟碳負極的鉀離子全電池性能b）由鉀離子全電池驅動的LED顯示屏被點亮（含31個小燈泡）；e）不同循環(huán)次數(shù)的充放電曲線。綜上所述，研究者們發(fā)現(xiàn)基于KFeC2O4F固有的Fe2+/Fe3+氧化還原機制、剛性3D [FeC2O4F]框架和三個開放通道，KFeC2O4F可用作高性能KIB正極材料。KFeC2O4F正極在0.2 A g-1時放電容量約為112 mAh g-1， 2000個循環(huán)后具有94％的高容量保持率，平均每個周期的容量僅下降0.003％。此外，通過將KFeC2O4F正極與軟碳負極匹配，研究人員成功構建了鉀離子全電池，其能量密度約為235 Wh kg-1，在循環(huán)200個周期后其容量衰減可忽略不計，且表現(xiàn)出**的倍率性能。通過優(yōu)化電解液并尋找合適的負極材料等方法可進一步提高該鉀離子電池的性能。此項研究清楚地表明了KFeC2O4F作為KIB正極材料在可持續(xù)大規(guī)模儲能應用中頗具發(fā)展?jié)摿?nbsp;文獻鏈接：A fluoroxalate cathode material for potassium-ion batteries with ultra-long cyclability（Nat. Commun., DOI: 10.1038/s41467-020-15044-y）
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