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CCS Chemistry | 钾离子负极合成快性能佳，“相对能量密度”这个评价指标可还行

2020-09-09 11:36

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

以下文章来源于CCSChemistry ，作者CCSChemistry

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为更加合理的评估钾离子负极材料的电化学性能，暨南大学麦文杰、黎晋良课题组提出 “相对能量密度”的概念。课题组报道了一种快速简易合成钾离子负极的方法，制备的酸化碳布具有高质量负载（13.1 mg cm-2），在0.2 mA cm-2电流密度下具有1.81 mAh cm-2的可逆面积比容量。充放电平台低、“相对能量密度”高，这些特性使得所制备负极材料展现出可期的钾离子电池负极应用前景。

相对锂元素而言，钾元素丰度高、成本低，使得钾离子电池成为未来替代锂离子电池的备选之一，受到了研究人员的青睐。但是由于钾离子半径较大，在传统的碳材料中的嵌入和脱出会引起较大的体积变化，造成结构破坏降低电池的电化学性能。因此，探索可逆性好的钾离子嵌入和脱出兼容的基质材料具有重要意义。

碳材料具有资源丰富、环境友好、易得等优点，基于碳材料的钾离子电池研究已取得了很大进展。但现今大部分碳材料储钾研究的工作都是基于低载量（1 mg cm-2）的测试，与实际的工业要求差距很大，高载量的实际研究非常少；研究大多过于关注质量比容量，而电池生产中的重要参数例如面积比容量和体积比容量常常被忽视，这都成为钾离子电池将来的实际应用的阻碍。

近期，暨南大学麦文杰教授和黎晋良副研究员提出了一种快速简易合成钾离子负极的方法，通过酸化处理碳布，提升了其倍率性能。这种自支撑结构的电极具有高负载量的特点，并展现出1.81 mAh cm-2/65.6 mAh cm-3的高容量。值得一提的是，结合负极材料的比容量与充放电电势，作者提出了“相对能量密度”概念，用于评估低充放电平台的负极材料性能，突破了前期仅通过比容量而忽视充放电电位用于简单评估负极材料电化学性能的局限性。“相对能量密度”具体计算公式如下：

ER = ΔUQ (1)

ΔU = -PK-VA (2)

VA = ∫ UdQ / Q (3)

其中，ER、Q、VA、PK分别为相对能量密度、比容量、平均电势和金属离子的相对标准氢势(钾离子电池中PK=-2.93 V vs K/K+)。VA为放电或充电过程中的平均电势。ΔU为-PK与VA的差值。具体如图1所示。根据计算，酸化处理提升了负极的电化学性能,展现出46 Wh m-2/166 Wh L-1的“相对能量密度”（图2）。该方法制备的电极可通过简单的叠加，成倍提高其面积比容量，具有良好的应用前景。

图1 “相对能量密度”的计算方法。

图2酸化处理的碳布带来的“相对能量密度”提升。

综上所述，该工作提供了一种简易的方法，制备了低电压平台，高负载量，高“相对能量密度”的钾离子电池负极材料，同时也提出了“相对能量密度”这种新方法用于高性能负极材料的评估。这种新的评估方法将给二次电池负极材料的进一步探索提供新的思路。此项研究得到了国家自然科学基金，中国博士后科学基金等的资助。该工作以Communication的形式发表在CCS Chemistry，并在官网“Just Published”栏目上线。

文章详情：

Ultrahigh “Relative Energy Density” and Mass Loading of Carbon Cloth Anodes for K-Ion Batteries

Junpeng Xie , Jinliang Li*, Xiaodan Li , Hang Lei , Wenchen Zhuo , Xibo Li , Guo Hong , Kwun Nam Hui , Likun Pan & Wenjie Mai*

Citation：CCS Chem. 2020, 2, 791–799

原文链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000203

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