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

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。