可持续储能湖大新方案:原位表面取代实现钾基电池超十三万次循环

时间:2021-12-15 11:03 点击:

可持续储能技术的突破是发展可再生能源的有力支撑,符合中国国家能源战略布局。综合安全和成本等因素,基于水系电解液的钾离子二次电池将成为下一代储能系统的重要选项。然而由于传统电极材料在水系电解液中极易溶解,限制了水系电池在储能领域中大规模应用。抑制或者消除电极材料的溶解是目前水系钾离子电池领域亟待解决的核心问题。近日,我校物理与微电子科学学院鲁兵安教授团队,通过使用原位阳离子界面修饰锰基普鲁士蓝的策略,实现了水系钾离子电池的超十三万次循环。

该研究成果以“Surface-substituted Prussian blue analogue cathode for sustainable potassium-ion batteries”为题,发表在《自然·可持续发展》(Nature Sustainability)杂志上。湖南大学物理与微电子科学学院盖军民博士为第一作者,鲁兵安教授为通讯作者。《自然—可持续发展》同期配发美国阿贡国家实验室陆俊教授等的专文评述,认为此工作为解决低成本系统所面临的主要挑战提供了可行性。

锰基普鲁士蓝因其低成本、高容量和高工作电压,成为了最具潜力的钾离子电池正极材料。但在循环过程中,锰易于溶解至电解液中,致使容量衰减,阻碍锰基普鲁士蓝正极的实际应用。为抑制锰的溶解,盖军民博士等通过原位电化学方式在锰基普鲁士蓝表面构建了理想的梯度铁锰界面。与传统的锰基普鲁士蓝相比,原位表面修饰的界面不仅可以抑制锰基普鲁士蓝内部锰的溶解,且增强了钾离子的扩散势垒,从而大幅度地提升了电池的循环性能和倍率性能。盖军民博士等通过理论和实验,证明了阳离子原位表面取代的过程。发现,通过原位表面阳离子修饰的锰基普鲁士蓝正极,在300 mA g-1和2500 mA g-1的放电容量分别为160 mAh g-1和120 mAh g-1,循环13万次后容量未见明显衰减。

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原位表面取代后的锰基普鲁士蓝循环稳定性。

此外,原位表面取代策略下的水系钾离子全电池在-20℃下容量为常温下的80%,在50℃时容量约为常温的110%,显示出优良的高低温性能。全电池经过裁剪后仍可以继续工作,体现出水系电池的高安全性。该研究为合理设计氧化还原活性锰基高性能电池正极材料提供了新的方案。

该工作得到了中南大学周江教授、美国克莱姆森大学(Clemson University)的Apparao M. Rao教授的帮助与支持,以及国家自然科学基金优秀青年基金及国家自然科学基金区域联合基金重点项目的资助。

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盖军民博士(右一)、樊令副教授等正在从事电池实验。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41893-021-00810-7

评价链接:https://www.nature.com/articles/s41893-021-00832-1

来源:物电院

摄影:王健为

责任编辑:文亦佳

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