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天大何春年周伟等AFM:钾离子电池循环1000圈,容量保持99.5%!
时间:2026-02-10 05:12:21
天大何春年周伟等AFM:钾离子电池循环1000圈,容量保持99.5%!
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天津大学何春年、周伟、朱杉等人通过制备石墨烯壳包封的FeS?并嵌入N/S共掺杂三维空心碳球(FeS?@G@NS-3DHCs),实现了钾离子电池(PIBs)负极材料在1 A g?1电流密度下循环1000次后容量保持率高达99.5%的突破性性能。核心研究背景与挑战FeS?因其资源丰富和理论容量高,被视为极具潜力的PIBs负极材料。然而,其在放电过程中会发生转化反应,生成可溶于醚基电解液的多硫化物,导致“穿梭效应”,进而引发电池容量持续衰减和循环稳定性下降。这一难题长期制约着FeS?基负极的实际应用。材料设计与创新研究团队通过多尺度结构工程,构建了FeS?@G@NS-3DHCs复合材料,其设计亮点如下:三维导电骨架:N/S共掺杂的空心碳球具有大比表面积,为FeS?提供了稳定的物理支撑,同时加速电荷转移。石墨烯壳层封装:作为“保护袋”容纳溶解的多硫化物,抑制其穿梭至电解液中;通过强化学吸附作用(密度泛函理论DFT计算证实)固定多硫化物,减少活性物质损失;与KFeS?形成强界面相互作用,提升K?迁移速率,降低电极极化。图1 FeS?@G@NS-3DHCs的制备流程示意图性能表现与机制验证电化学性能:高比容量:在100 mA g?1电流密度下,可逆容量达524 mAh g?1;优异倍率性能:在8 A g?1高电流密度下,容量仍保持224 mAh g?1;超长循环寿命:在1 A g?1下循环1000次后,容量保持率高达99.5%,平均每次循环容量衰减仅0.005%。全电池性能:与有机正极匹配组装的全电池在0.1 A g?1下表现出482.7 mAh g?1的可逆容量,验证了该负极材料的实际应用潜力。机制解析:形貌表征(图2)显示,FeS?纳米颗粒均匀分散在三维碳骨架中,并被石墨烯壳层完整包裹,形成“口袋状”结构,有效限制多硫化物扩散。DFT计算表明,石墨烯壳层对多硫化物(如K?S?)的吸附能显著高于纯石墨烯,且K?在KFeS?/石墨烯界面的迁移势垒降低,解释了高倍率性能的来源。图2 FeS?@G@NS-3DHCs的扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)图像,显示石墨烯壳层完整包裹FeS?纳米颗粒研究意义与展望该工作不仅开发了一种高性能PIBs负极材料,更揭示了石墨烯壳层与多硫化物之间的相互作用机制,为设计其他金属离子电池(如钠离子、锂硫电池)的过渡金属硫化物基电极提供了通用策略。未来研究可进一步优化材料合成工艺,探索低成本规模化生产路径,推动PIBs向商业化迈进。图3 FeS?@G@NS-3DHCs的循环性能(左)和倍率性能(右)曲线参考文献:Engineering Pocket-Like Graphene–Shell Encapsulated FeS?: Inhibiting Polysulfides Shuttle Effect in Potassium-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202109899
时间:2026-02-10 05:12:22
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