研究人员揭示一维纳米结构对钾离子电池的影响

Elisha 盖世汽车2022-6-2 9:12:41
钾的天然储量较多,而且具有与锂相似的物理和化学特征。在大规模燃料电池应用中,钾离子电池(PIBs)被视为锂电池的潜在替代品之一。

盖世汽车讯 钾离子电池的安全性很高,有望成为下一代储能解决方案。据外媒报道,武汉理工大学等机构的研究人员最近发表的论文,探讨了钾离子电池中一维纳米结构材料的当前研究进展和成就,尤其强调正、负极材料的生产和使用。

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(图片来源:sciencedirect)

钾离子电池:储能系统的未来

目前,锂离子电池因能量密度高、寿命长、环境友好等优点,在电动汽车等领域得到广泛应用。然而,由于锂供应量有限,而且全球分布不均,其发展受到影响。

钾的天然储量较多,而且具有与锂相似的物理和化学特征。因此,在大规模燃料电池应用中,钾离子电池(PIBs)被视为锂电池的潜在替代品之一。然而,目前这种新型储能系统还处于起步阶段,并且存在一定的挑战。这主要是因为钾离子相应的原子半径很大,大大降低了扩散速率。因此,开发高效电极材料,对于提高钾离子电池的实用性,具有重要意义。

通过1D纳米结构电极材料提高钾离子电池的性能

使用纳米结构一维(1D)电极纳米材料,可以有效缩短离子扩散通道,增加电解液和电极界面的面积,并充分减少体积变化,显著提高钾离子电池的电化学性能。

在诸多1D纳米结构中,纳米线、纳米片、碳纳米管、纳米纤维和纳米点,由于性能独特而备受关注。1D超长纳米材料具有可以构建成连接网状物的内在优势,可用于创建独立的可扩展电极。这样的独立电极可立即作为功能电极材料,轻松应用于钾离子电池。

1D纳米结构正、负极材料

堆叠过渡金属氧化物、聚合物分子、普鲁士蓝和相关的有机衍生物,都是最常见的已知钾离子电池正极化合物。然而,以往关于在正极中使用1D纳米材料的研究很少。只有钒基化合物、锰氧化物和二元金属多层氧化物正极材料,含有1D纳米结构。

关于在负极材料中使用1D纳米材料的研究和应用非常广泛和详细。在钾离子电池中,石墨烯、非石墨碳、金属硫化物、硒化物、氧化物,以及不同的复合材料,都是常用的负极材料。

1D纳米材料的表征方法

为了揭示反应动力学和电极的形态特征,需要进行复杂的表征。在领先燃料电池的电解过程中,非原位分析不能很好地分析反应动力学。

通过原位表征,可以实时监测原始位置的电极物质,为了解电极的相变和结构变化机制提供更全面深入的信息。1D纳米材料为原位表征提供了简单而有效的环境。作为部分关键的原位表征方法,可使用原位透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和拉曼测试方法,研究钾离子电池中的1D纳米结构电极材料。

未来前景和需要解决的问题

1D纳米材料的表面积大,能够提供较大的电极-电解液接触面积,因此可以加快电解过程。但是作为电极和电解液之间二次反应的主要驱动因素,在1D纳米结构中这一优势反过来也成为一个问题,可能导致库仑效率降低和电位衰减。

该问题并不仅仅存在于钾离子电池的1D纳米电极材料中,在其他电池储能系统中也是障碍之一。通过微调1D纳米材料的多孔性和体积,以及开发层次异质结构,可能提供有效的解决方案。

总的来说,关于钾离子电池中使用的1D纳米结构电极材料的研究,目前还处于早期阶段。因此,需要将基础研究与实际应用联系起来。

《全球汽车前瞻技术情报双周刊》