
馬爾文帕納科

已認(rèn)證
馬爾文帕納科
已認(rèn)證
華中科技大學(xué)韓建濤教授團(tuán)隊一直以來致力于新型能源材料與器件領(lǐng)域的研究工作,,涵括鋰離子動力與儲能電池,、鈉離子儲能電池、鋅離子儲能電池,、先進(jìn)譜學(xué)表征,、電池裝備設(shè)計。實驗室中馬爾文帕納科Empyrean銳影多功能X射線衍射儀配置可以接收100%硬射線的GaliPIX3D重元素半導(dǎo)體矩陣探測器用于PDF對分布函數(shù)分析,,作為結(jié)構(gòu)表征的主要設(shè)備,,助力課題組完成多項研究工作。
本文將展示韓建濤教授團(tuán)隊最新發(fā)表于Chemistry of Materials 的一篇文章*,。介紹了關(guān)于硬碳材料作為鉀離子電池的負(fù)極材料與其儲存機(jī)制間關(guān)系的研究,。
硬碳材料局域結(jié)構(gòu)演變
與鉀離子儲存機(jī)制
第一作者:徐佳,范晨陽
通訊作者:方淳副教授,,韓建濤教授
通訊單位:華中科技大學(xué)材料學(xué)院
論文DOI:10.1021/acs.chemmater.2c00646
馬爾文帕納科多功能X射線衍射儀因其諸多獨(dú)有的專利技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于各種最前沿的材料研究和開發(fā)工作,,用于解析各種材料(粉末、薄膜,、固體,、納米材料)的晶體結(jié)構(gòu)、以及在非常溫環(huán)境下的晶型變化對材料本身性能的影響,。其PreFIX預(yù)校準(zhǔn)分析技術(shù),,快速轉(zhuǎn)換分析模式無需調(diào)光,使其具備最廣泛的樣品分析能力,;第三代光學(xué)定位編碼技術(shù)的測角儀,,能夠讓每個樣品都獲得最高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。
華中科技大學(xué)材料學(xué)院的韓建濤教授團(tuán)隊一直以來致力于新型能源材料與器件領(lǐng)域的研究工作,,涵括鋰離子動力與儲能電池、鈉離子儲能電池,、鋅離子儲能電池,、先進(jìn)譜學(xué)表征,、電池裝備設(shè)計。實驗室中馬爾文帕納科Empyrean銳影多功能X射線衍射儀配置可以接收100%硬射線的GaliPIX3D重元素半導(dǎo)體矩陣探測器用于PDF對分布函數(shù)分析,,作為結(jié)構(gòu)表征的主要設(shè)備,,助力課題組完成多項研究項目。
*轉(zhuǎn)載本文需獲得原文作者許可,,學(xué)術(shù)文章原文鏈接:
doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c00646
01
在過去的幾十年里,,鋰離子電池(LIBs)由于具有高能量密度、長循環(huán)壽命,、高電壓等優(yōu)點(diǎn),,已成功商業(yè)化并廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車。然而,,鋰的低地球豐度(20 ppm)與不斷增長的低成本大規(guī)模的儲能需求相矛盾,。
最近,鈉(23 000 ppm)和鉀(17 000 ppm)的低成本,、均勻分布和高地殼豐度激發(fā)了對鈉離子電池(SIB)和鉀離子電池(PIB)的研究興趣,。SIBs 和 PIBs 表現(xiàn)出與 LIBs 相似的離子存儲機(jī)制,并且由于其低成本和高豐度而成為大規(guī)模儲能的有力候選者,。與SIB相比,,PIB值得研究,因為它們具有更高的陽極放電平臺電位(更好的安全性)和更高的電解質(zhì)離子電導(dǎo)率(更好的倍率能力),。
目前,,碳材料(如石墨、軟碳和硬碳)因其資源廣泛,、成本低,、結(jié)構(gòu)可調(diào)和容量高等優(yōu)點(diǎn),已被證明是有前途的 PIB 負(fù)極材料,。然而,,它們的鉀離子機(jī)制仍然存在爭議,構(gòu)效關(guān)系仍然不明確,,需要進(jìn)行系統(tǒng)化的研究,。
02
硬碳(HCs)成本低、前驅(qū)體多樣,、易于設(shè)計且電化學(xué)性能優(yōu)異,,是鉀離子電池(PIBs)最有前途的負(fù)極材料。然而,,硬碳材料的結(jié)構(gòu)和鉀離子儲存機(jī)制之間的關(guān)系尚未得到清晰和系統(tǒng)的研究,,并且硬碳結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則仍不清楚。
本文在800-2900°C下合成了一系列結(jié)構(gòu)連續(xù)可調(diào)的硬碳材料,,以研究結(jié)構(gòu)-機(jī)理關(guān)系,。通過透射電鏡,、X射線粉末衍射、對分布函數(shù),、X射線吸收譜等研究硬碳的局域結(jié)構(gòu),。隨著溫度的升高,硬碳的結(jié)構(gòu)域單元演變過程為無定形域→偽石墨域→類石墨域,。無定形域有助于表面控制的鉀離子吸附行為,,而偽石墨和類石墨域表現(xiàn)出擴(kuò)散控制的鉀離子嵌入行為。
三個溫度階段的結(jié)構(gòu)-機(jī)理關(guān)系為:無定型域-吸附(800°C),、無定型和偽石墨域-吸附-嵌入(1000-1500°C),,偽石墨和類石墨域-嵌入(1800 –2900 °C)。無定形和偽石墨域混合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最好的電化學(xué)性能,,并且可以通過調(diào)節(jié)硬碳的結(jié)構(gòu)獲得想要的儲鉀性能,。
03
使用多種表征手段系統(tǒng)地揭示了800-2900℃下合成的硬碳材料的局域結(jié)構(gòu)演變,無定形域(800℃)→偽石墨域(1000℃)→類石墨域(1800℃),。
提出了三個溫度階段的硬碳局域結(jié)構(gòu)——儲鉀機(jī)制,,無定型域-吸附(800°C)、無定型和偽石墨域-吸附-嵌入(1000-1500°C),,偽石墨和類石墨域-嵌入(1800 –2900 °C),。
無定形和偽石墨域混合結(jié)構(gòu)的硬碳材料具有最佳的儲鉀性能。
04
隨著合成溫度的升高,,硬碳材料的局域結(jié)構(gòu)逐漸變得有序化,。800℃下生成定形域,1000℃下開始生成偽石墨域,,1800℃下開始生成類石墨域結(jié)構(gòu),。800℃時硬碳材料主要由無定型域構(gòu)成,1000-1500℃時由無定型域和偽石墨域結(jié)構(gòu)組成,,1800-2900℃時由偽石墨域和類石墨域組成,。
隨著合成溫度的升高,儲鉀容量先上升后降低到穩(wěn)定值,,且溫度升高會降低循環(huán)和倍率性能,。
從充放電曲線可以看出,隨著合成溫度的升高,,放電曲線逐漸從斜坡型(吸附)轉(zhuǎn)變?yōu)槠脚_型(嵌入),,且電壓逐步降低。說明其儲鉀機(jī)制從吸附逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱饲度?,這也與其循環(huán),、倍率性能相對應(yīng)。
三個溫度階段的結(jié)構(gòu)-機(jī)理關(guān)系:無定型域-吸附(800°C)、無定型和偽石墨域-吸附-嵌入(1000-1500°C),,偽石墨和類石墨域-嵌入(1800 –2900 °C),。
05
在800-2900 ℃的熱解溫度下合成了一系列結(jié)構(gòu)連續(xù)變化的硬碳樣品。隨著溫度的升高,,硬碳的無序結(jié)構(gòu)變得有序,呈現(xiàn)出“無定形域(800℃)”→“無定形和偽石墨域(1000-1500℃)”→“偽石墨和類石墨域(1800-2900℃)”的結(jié)構(gòu)演化,。其電化學(xué)行為從表面控制的吸附機(jī)制逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散控制的嵌入機(jī)制,。
無定形域?qū)?yīng)于表面控制的吸附行為,表現(xiàn)出高循環(huán)穩(wěn)定性,、高倍率性能和高放電電壓,。偽石墨和類石墨域?qū)?yīng)于擴(kuò)散控制的嵌入行為,表現(xiàn)出差的循環(huán)穩(wěn)定性,、差的倍率性能和低放電電壓,。通過對結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的分析,提出了“吸附”→“吸附-插入”→“插入”的儲鉀機(jī)制,。
此外,,具有無定形和偽石墨域混合結(jié)構(gòu)的硬碳材料具有最佳的儲鉀性能。這項工作對于碳基電極材料的設(shè)計非常有價值,,有助于促進(jìn)硬碳負(fù)極在鉀離子電池中的應(yīng)用,。
后記
馬爾文帕納科多功能X射線衍射儀因其優(yōu)異的性能被廣泛的應(yīng)用于各種最前沿的材料研究和開發(fā)工作,用于解析各種材料(粉末,、薄膜,、固體、納米材料)的晶體結(jié)構(gòu),、以及在非常溫環(huán)境下的晶型變化對材料本身性能的影響,。其PreFIX預(yù)校準(zhǔn)分析技術(shù),快速轉(zhuǎn)換分析模式無需調(diào)光,,使其具備最廣泛的樣品分析能力,;擁有第三代光學(xué)定位編碼技術(shù)的測角儀,能夠讓每個樣品都獲得最高質(zhì)量的數(shù)據(jù),;BBHD和1Der探測器的預(yù)校準(zhǔn)光路組合,,消除所有元素?zé)晒飧蓴_……還有很多獨(dú)特的優(yōu)勢希望可以通過用戶的視角分享給大家。
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