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麥立強/吳勁松/羅雯AEM: 用于非水系鉀電池的應變松弛紅磷自支撐負極

麥立強/吳勁松/羅雯AEM: 用于非水系鉀電池的應變松弛紅磷自支撐負極
紅磷(RP)作為一種很有前途的鉀離子電池(KIBs)負極,由于其高理論容量、低氧化還原電位和豐富的自然資源而受到廣泛關注。然而,由于體積膨脹巨大和電子導電性差,RP表現出顯著的容量衰減和快速的結構退化。
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在此,武漢理工大學麥立強教授、吳勁松教授及羅雯等人報道通過蒸發-冷凝法將無定形RP封裝到3D互連多孔多通道的S/N共摻雜碳納米纖維中制備了一種應變松弛自支撐柔性RP/碳電極(RP@SN-CNFs),并將其作為非水系可充電KIB的優良負極。
由于S/N共摻雜的協同作用,碳基體對RP具有更強的吸附能,可以有效緩解RP體積變化帶來的巨大應力。原位TEM研究和基于COMSOL的化學機械模擬表明,多孔碳基體可以提供空間來適應RP在鉀化過程中的體積變化,并且鉀化晶體聚集以釋放應力并產生快速應變松弛。

麥立強/吳勁松/羅雯AEM: 用于非水系鉀電池的應變松弛紅磷自支撐負極

圖1. RP@SN-CNFs的制備過程示意圖及結構表征
因此,當作為KIBs的獨立負極時,RP@SN-CNFs電極表現出高可逆容量、優異的倍率性能和非凡的耐久性,在1 A g-1下900次循環后可提供429 mAh g-1的高可逆容量且庫倫效率近100%,甚至在2 A g-1的高電流密度下2000次循環后容量仍保持為282 mAh g-1
通過原位表征和DFT計算證明了高度可逆的單電子轉移機制,其最終放電產物為KP且表現出更快的動力學。結果表明,該策略可以克服上述合金化電極的局限性,更重要的是,揭示了界面親和性磷碳負極呈現出的應力松弛行為,這為大體積膨脹負極的應用提供了新的思路。

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圖2. RP@SN-CNFs負極的儲鉀性能
A Strain-Relaxation Red Phosphorus Freestanding Anode for Non-Aqueous Potassium Ion Batteries, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202103343

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