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山东大学尹龙卫&王成祥团队EES丨揭秘异质结负极高速率嵌钾新途径

时间:2026-02-06 17:50:37
山东大学尹龙卫&王成祥团队EES丨揭秘异质结负极高速率嵌钾新途径
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山东大学尹龙卫&王成祥团队通过静电吸附自组装方法设计了PDDA-NPCNs/Ti3C2异质结负极,揭示了其高速率嵌钾的新途径,显著提升了钾离子电池的循环稳定性和倍率性能。研究背景锂离子电池的局限性:锂离子电池虽能量密度高、循环寿命长,但锂资源地壳丰度低、分布不均且价格昂贵,难以用于大规模储能。钾离子电池的优势:钾(K)资源丰富且廉价,K/K+具有低的标准电位(-2.92 V vs SHE),理论上钾离子电池(PIBs)能提供更高的放电电位和能量密度,是替代锂离子电池的理想选择。现有问题:钾离子尺寸较大(1.38 ?),在主体材料中嵌入/脱出会破坏材料结构,导致电池循环寿命短和倍率性能差。碳基材料虽具有丰富性、低电势和低成本等优势,但K+动力学缓慢,导致初始库仑效率低和倍率性能差。扩大层间距离的无序碳可减少K+插入障碍,提高电化学性能。MXene材料(如Ti3C2)是良好的离子、电子导体,具有高比表面积和层间距可调性,但理论比容量仅为191.8 mAh/g,易团聚和重新堆叠,在PIBs中的研究较少且性能较低。优化层间结构、构筑2D分级结构、降低自堆叠效应、构造额外储钾位点和确保K+快速传输通道,可有效提高其可逆容量和倍率性能。研究成果研究团队:山东大学尹龙卫教授和王成祥副研究员课题组。研究方法:采用静电吸附自组装方法,设计了新颖的PDDA - NPCNs/Ti3C2异质结负极。研究意义:通过实验和理论计算,深入探讨了电化学动力学行为及其机理,为钾电负极材料的调控指出了新方向。该文章发表在国际顶级期刊Energy & Environmental Science上,赵瑞正为本文第一作者。文章链接:Self-Assembled Ti3C2 MXene and N-Rich Porous Carbon hybrids as Superior Anodes for High-Performance Potassium-Ion Batteries图文速览图1:PDDA-NPCNs/Ti3C2异质结的合成过程示意图图2:PDDA-NPCNs/Ti3C2异质结的SEM、TEM、EDS和AFM表征结果图3:PDDA-NPCNs/Ti3C2异质结的XRD、XPS和Raman表征结果图4:PDDA-NPCNs/Ti3C2异质结电极材料的电化学性能图5:电化学测试揭示电极材料的动力学差异图6:PDDA-NPCNs/Ti3C2异质结构电极材料在循环前后的结构演变研究小结异质结结构优势:具有堆叠结构和大比表面积的偶联PDDA - NPCN/Ti3C2异质结可确保Ti3C2和NPCNs之间紧密接触,有效利用两种组分和更易接近的活性位点。该异质结提供更大的层间距和独特的3D互连导电网络,加快离子/电子传输速率。对快速充/放电过程中由相变引起的体积变化具有良好的承受能力,具有较高的化学稳定性。DFT计算结果:PDDA - NPCNs/Ti3C2异质结有效降低了K+的吸附能并加快了反应动力学。电化学性能:此异质结具有显著的协同作用,在0.1 A g?1的电流密度下,经过300圈循环后展示了超高的可逆容量358.4 mAh g?1。甚至在2.0 A g?1的电流密度下,仍能保持191.2 mAh g?1的可逆容量,具有优异的循环稳定性和倍率性能。在1.0 A g?1下,经过2000圈循环后获得252.2 mAh g?1的可逆容量,平均每次的容量衰减率为0.03%,显示了超长的循环稳定性。研究展望:这项工作为进一步在储能设备中自组装异质结铺平了道路。
时间:2026-02-06 17:50:38
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