稳定界面助力石墨实现超长储钾性能

许涛 孙伟 孔天赐 周杰 钱逸泰

引用本文: 许涛, 孙伟, 孔天赐, 周杰, 钱逸泰. 稳定界面助力石墨实现超长储钾性能[J]. 物理化学学报, 2024, 40(2): 230302. doi: 10.3866/PKU.WHXB202303021 shu
Citation:  Tao Xu, Wei Sun, Tianci Kong, Jie Zhou, Yitai Qian. Stable Graphite Interface for Potassium Ion Battery Achieving Ultralong Cycling Performance[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(2): 230302. doi: 10.3866/PKU.WHXB202303021 shu

稳定界面助力石墨实现超长储钾性能

    通讯作者: 周杰, zhj1991@ustc.edu.cn; 钱逸泰, ytqian@ustc.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22201275

    国家自然科学基金 21975244

    国家自然科学基金 21831006

    中央高校基本业务费专项基金 WK2060000036

    安徽省自然科学基金 2208085QB32

摘要: 石墨作为锂离子电池的商业负极材料,由于其高丰度、低成本和低电位的优势,在钾离子电池中也显示出了巨大的潜力。然而,钾离子半径(0.138 nm)远大于锂离子半径(0.076 nm),充放电过程中钾离子的插层易使石墨结构破坏,导致明显的容量衰减和不稳定的循环寿命。在这里,我们用简单有效的微波方法高效还原石墨烯,设计了石墨负极的稳定界面。微波还原可以在10 s内有效地去除氧化石墨烯的氧基,这一点得到了X射线光电子能谱(XPS)的证实。石墨烯不仅可以缓冲石墨的体积膨胀以抑制结构崩塌,还可以加速电子传输以提高倍率性能。石墨烯包覆石墨的复合负极(GCG)表现出超长的循环稳定性,在3000次循环后容量依然262 mAh∙g−1。与石墨相比,GCG的倍率性能也更加优异(500 mA∙g−1的电流密度下容量为161.2 mAh∙g−1)。在相同的电流密度下,石墨在150次循环后容量低于150 mAh∙g−1。进一步的电化学阻抗(EIS)和恒电流间歇滴定(GITT)测试表明,与石墨相比,GCG表现出更快的电导率和离子扩散速率。循环后的拉曼光谱、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)图像验证了石墨烯作为缓冲界面有利于电极结构的完整性和固体电解质膜(SEI)的稳定性。这项工作为钾离子电池的大规模应用提供了新的希望。

English

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  • 发布日期:  2024-02-15
  • 收稿日期:  2023-03-08
  • 接受日期:  2023-04-20
  • 修回日期:  2023-04-14
  • 网络出版日期:  2023-04-28
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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