材料科学与工程学院孙正明教授团队在揭示阴离子空位对转换型负极材料储钾性能影响机制方面取得进展
发布时间:2023-02-10   浏览次数:1625

东南大学材料科学与工程学院孙正明教授和潘龙副研究员在揭示阴离子空位对转换型负极材料储钾性能影响机制方面取得进展,相关成果以“Comprehensively Understanding the Role of Anion Vacancies on K-Ion Storage: A Case Study of Se Vacancy Engineered VSe2为题发表在材料类顶级期刊《先进材料》(Advanced Materials)上。

在锂离子/钠离子电池研究中,关于利用阴离子空位增强转换型负极材料离子存储的研究已取得了一定的进展。但是在钾离子电池研究领域,转换型负极材料的空位研究仍处于起步阶段。此外,关于空位增强机理通常解释为:空位作为活性位点促进离子的吸附和扩散。转换型负极材料在离子存储过程中经历嵌入和转换两个阶段:嵌入阶段结构成分没有变化;转换阶段结构成分完全转变。然而,上述理论基于原始材料的结构和成分,只适用于嵌入阶段。那么,空位是如何影响转换反应的?此外,经过一次充电和放电循环后,转换型负极材料的结构成分发生的解构和重组。那么,经过一次循环后空位是否还存在?

针对上述问题,本研究选择高电导性和大层间距的VSe2为研究对象,通过等离子处理引入Se空位(P-VSe2–x)。研究结果表明,P-VSe2–x具有优异的半电池循环性能(143 mA h g–1 at 3.0 A g–1 after 1000 cycles)和高全电池能量密度(206.8 Wh kg–1)。通过电化学分析、原位/非原位测试、第一性原理分析,本研究首次详尽地提出了Se空位对P-VSe2–x储钾的作用机制:

1Se空位只作用于第一次放电,因为在第一次放电之后空位即消失,且在随后的循环中不再产生;

2在第一次放电过程中,空位不仅可以通过增强离子吸附和提供额外扩散通道来促进K+的嵌入,还可以通过离域电子和弱化V-Se键合强度来提升转换反应动力。

该研究成果同样能够适用于其他碱金属离子电池体系,从而为阴离子空位应用于设计和开发高性能转换型负极材料提供指引和帮助。

1. 空位对P-VSe2–x储钾性能影响机制及其演变示意图

东南大学材料科学与工程学院为该论文唯一完成单位,博士生沙大巍为第一作者,博士后游菀蓉为共同第一作者,潘龙副研究员和孙正明教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和中国科协青年人才托举工程项目的支持。

 

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211311