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钾离子电池负极材料新发现:CuO纳米片

成为负极材料,CuO能行吗?


  来源: HORIBA科学仪器事业部 时间:2019-12-06 编辑:马致远
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近年来锂离子电池得到了广泛应用,但锂资源丰度低、地域分布不均、价格昂贵等缺点,大大限制了锂离子电池在规模储能领域中的发展,这也促使人们试图寻找一种新的电池技术来弥补锂离子电池的短板。


钾离子电池以其独特的优势(如钾资源丰富、分布均匀、价格低廉)脱颖而出,成为锂离子电池的有力竞争者。然而,现有的钾离子电极材料虽具有良好的储钾能力,但由于钾离子半径较大,储钾能力大多大打折扣。因此,寻找合适的储钾材料成为发展钾离子电池面临的重要挑战之一。


近日,信阳师范学院曹康哲博士与南开大学焦丽芳教授合作,将CuO纳米片用作钾离子电池负极材料,并研究这种材料的工作机制及储钾性能,结果表明CuO纳米片可作为钾离子电池负极材料且性能优异。这项工作为拓展金属氧化物在电池负极材料的应用开辟了新思路。


成为负极材料,CuO能行吗?


研究人员之所以选择CuO作为储钾负极材料,是因为CuO廉价易得、容易制备、且化学稳定性高。但作为钾离子电池的负极材料,CuO的储钾性能及其工作机制目前并不清楚。它真的能胜任吗?


为探究以上问题,团队结合电化学方法和材料表征技术对钾离子电池工作过程进行验证:一方面通过系列表征对CuO负极材料的晶型、元素价态变化等进行表征,包括HORIBA LabRAM HR Evolution拉曼光谱仪、XRD、XPS等;另一方面利用SEM、TEM等对CuO负极材料的微观形貌及结构演变进行分析,双管齐下。


研究结果表明CuO纳米片在储钾过程中确实发生了转化反应:首次放电过程中CuO纳米片转化为纳米Cu单质,充电过程中Cu又生成了Cu2O,并重组成纳米片。这一过程明确了CuO纳米片作为负极材料的储钾机理,证明其确实可作为钾离子电池的负极材料。

CuO纳米片的XRD、XPS、Raman、AFM、SEM及TEM表征结果


CuO纳米片,储钾性能更优异


在上述研究中,团队已经证明了CuO纳米片可以用作负极材料,但它的储钾性能如何呢?


研究结果包含2组数据:


充放电过程中Cu2O和Cu纳米颗粒之间发生可逆转化反应,产生了374 mAh g-1的理论比容量,相较于常见的石墨负极提升了约100 mAh g-1。


一般来说,电流密度越大电池容量越低。在0.2 Ag-1的电流密度下,CuO纳米片容量可达到342.5 mAh g-1,即便在1.0Ag-1电流密度下仍能达到206mAh g-1,证明其拥有理想的电池容量。


比容量:指单位质量或体积的电池或活性物质所能放出的电量。


由上述两部分验证结果可知,CuO纳米片储钾容量相较于常见碳电极更为优异,表明其有望发展成为理想的钾离子电池负极材料。




这项研究为拓展金属氧化物作为钾离子负极材料的研究开辟新思路。研究成果以《CuO Nanoplates for High‐Performance Potassium‐Ion Batteries》为题在《Small》发表。



关键词:电池 检测 电极材料    浏览量:306

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