我校化科院周小四教授課題組在鈉鉀離子電池正極材料方面取得系列重要研究進展

鋰離子電池由於其高能量密度已廣泛應用於行動式儲能裝置。然而，有限的鋰資源無法滿足電網規模的儲能需求。有鑑於此，鈉離子電池和鉀離子電池因其低成本和可觀的能量/功率密度而有望成為下一代電能儲存應用的候選者。正極材料是決定鈉/鉀離子電池整體效能和成本的關鍵部件，如何設計穩定的材料結構並獲得理想的電化學效能使其能夠滿足實際應用要求顯得尤為重要。為解決鈉/鉀離子半徑過大導致的充放電過程中材料結構破壞以及動力學過程緩慢導致的倍率效能較差等問題，我校化科院周小四教授課題組在在鈉/鉀離子電池正極儲能材料領域進行了深入研究，並取得了一系列重要研究進展。

成果

（

1

）

：

以MnCoCO

3

為前驅體，透過兩步自模板法合成了花生狀的K

0。45

Mn

0。5

Co

0。5

O

2

並將其用於鉀離子電池正極材料，表現出高效的儲鉀效能。相關成果以“Self-templated construction of peanut-like P3-type K

0。45

Mn

0。5

Co

0。5

O

2

for highly reversible potassium storage”為題發表在Journal of Materials Chemistry A上（J。 Mater。 Chem。 A 2022， 10， 554–560）。Journal of Materials Chemistry A是具有高國際影響力的SCI核心期刊，影響因子為12。732。

作為鉀離子電池正極材料，錳基層狀過渡金屬氧化物由於其高可逆容量和較低成本而受到研究人員的廣泛關注。然而，這些材料在充電過程中通常具有較大的結構變化且容易與電解液發生副反應。這些缺點往往會對電池的倍率效能和迴圈穩定性產生不利影響。在本文中，我們透過溶劑熱反應合成了花生狀結構的MnCoCO

3

，透過兩步模板法得到了分級花生狀結構的K

0。45

Mn

0。5

Co

0。5

O

2

（p-KMCO）。微米尺寸的p-KMCO有效減少了副反應的發生，其奈米片狀構築單元則能夠促進鉀離子的擴散。因此，p-KMCO正極表現出優異的儲鉀效能，包括123。2 mAh g

1

的出色可逆容量、長迴圈效能（經300次迴圈仍能保持73。8%的初始可逆容量）以及在300 mA g

1

下66。8 mAh g

1

的優異倍率效能。我校化科院19級博士生生張壯壯是該論文的第一作者，南京師範大學為唯一通訊單位，周小四教授和沈健教授為共同通訊作者。

成果（

2

）：

採用了低成本的乙醇介導的共沉澱方法合成了具有多孔長方體結構的P3相K

0。5

Mn

0。8

Co

0。1

Ni

0。1

O

2

層狀過渡金屬氧化物材料，並將其用於鉀離子電池正極材料的研究。相關成果以“A high-performance cathode for potassium-ion batteries based on uniform P3-type K

0。5

Mn

0。8

Co

0。1

Ni

0。1

O

2

porous microcuboids”為題發表在Journal of Materials Chemistry A上（J。 Mater。 Chem。 A2021， 9， 22820–22826）。Journal of Materials Chemistry A是具有高國際影響力的SCI核心期刊，影響因子為12。732。

其獨特的多孔結構顯著降低了K

+

的擴散距離，緩解了連續K

+

插入/脫插入引起的內部應變，從而提高了反應動力學和結構完整性，提高了K

0。5

Mn

0。8

Co

0。1

Ni

0。1

O

2

（c-KMCNO）的迴圈穩定性和倍率效能。作為鉀離子電池正極材料，c-KMCNO在20 mA

1

的電流密度下提供了94。5mA

1

的高可逆容量，500 mA

1

時保持49。5 mA

1

的優良倍率效能以及良好的迴圈穩定性。此外，以c-KMCNO為正極，瀝青衍生軟碳為負極組裝而成的鉀離子全電池在100 mA g

1

下迴圈100圈後具有81。1%的高容量保持率。我校化科院20級碩士研究生段麗平是該論文的第一作者，南京師範大學為唯一通訊單位，周小四教授為通訊作者。

成果（

3

）：

透過簡單的多步法將KVPO

4

F（KVPF）奈米顆粒均勻分佈在還原氧化石墨烯（rGO）框架中，合成KVPF/rGO雜化物並將其用作鉀離子電池正極材料。所合成的KVPF/rGO雜化物在作為鉀離子電池正極時表現出高比容量、優異的能量密度以及突出的迴圈穩定性和倍率效能。相關成果以“Facile synthesis of KVPO

4

F/reduced graphene oxide hybrid as a high-performance cathode material for potassium-ion batteries”為題發表在Journal of Energy Chemistry上（J。 Energy Chem。 2022， 68， 284–292）。Journal of Energy Chemistry是具有高國際影響力的SCI核心期刊，影響因子為9。676。

鉀離子正極材料中，聚陰離子化合物KVPF具有獨特的框架結構，同時陰離子基團的強誘導作用使其具有高工作電壓（5 V）和較高的理論容量（131mA g

1

），然而較差的電子電導率和不穩定的電極/電解液介面帶來的低倍率能力和迴圈效能仍是較大的挑戰。在此，我們將KVPF初始顆粒（平均粒徑為600 nm–2。5 m）進行球磨得到KVPF奈米顆粒（平均粒徑為90 nm），再與氧化石墨烯（GO）超聲分散和快速冷凍乾燥，將KVPF奈米顆粒均勻的封裝在GO中，再透過熱還原得到KVPF/rGO雜化物。此工作有效地抑制了合成過程中KVPF奈米粒子的聚集，顯著提高了KVPF/rGO雜化物的鉀離子擴散係數和電子電導率。因此，KVPF/rGO電極表現出優異的鉀離子儲存效能，包括103。2mAh g

1

的高可逆容量、長迴圈效能（10 C的大電流密度下迴圈500圈後容量保持率仍為76。9%）以及在50 C下88。1mAh g

1

的優異倍率效能。除此之外，透過使用非原位XRD和非原位XPS技術，清楚地揭示了KVPF的儲鉀機制。我校化科院20級碩士研究生徐建智是該論文的第一作者，南京師範大學為唯一通訊單位，周小四教授和林軍教授為共同通訊作者。

成果（

4

）：

以廉價的過渡金屬草酸鹽、氟化鈉和聚四氟乙烯為原料，透過兩步煅燒大規模合成過渡金屬氟化物Na

2

MVF

7

（M = Mn， Fe和Co），首次作為鈉離子電池正極材料表現出高儲鈉效能。相關成果以“Scalable synthesis ofNa

2

MVF

7

（M = Mn， Fe， and Co） as high-performance cathode materials for sodium-ion batteries”為題發表在Chemical Communication上（Chem。 Commun。 2021， 57， 11497–11500）。Chemical Communication是RSC旗下的核心期刊，影響因子為6。222。

過渡金屬氟化物因其結構穩定，具有三維的離子通道的優勢，而被認為是很有前途的鈉離子電池正極材料。然而，傳統的固相合成方法需要昂貴的氟化物原料，並且獲得的氟化物本身電子導電性差。在本文中，我們以廉價的聚四氟乙烯為氟化劑成功合成了三種同構型的氟化物Na

2

MVF

7

（M = Mn， Fe和Co），同時聚四氟乙烯在分解過程中會形成碳包覆層增強材料的電子導電性。其中，效能最優的Na

2

FeVF

7

樣品在20 mA g

1

電流密度下具有146。5 mAh g

1

的高比容量，並且具有穩定的長迴圈效能（在100 mA g

1

下經200次迴圈仍能保持95%的初始可逆容量）。非原位XRD測試揭示了Na

2

FeVF

7

中鈉離子的儲存為脫嵌反應機制，並且結構可逆性高。我校化科院博士後廖家英和18級本科生韓景臣是該論文的共同第一作者，南京師範大學為唯一通訊單位，周小四教授為通訊作者。

【來源：南京師範大學_學術報道】

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