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静电纺丝如何设计高性能钾离子电池材料,这篇

能源环保    2021-09-18 17:12

研究背景

锂离子电池(LIBs)由于其高能量密度广泛用于便携式电子设备和电动汽车,但是,高成本以及锂资源逐渐匮乏阻碍了其快速发展。

发展低成本、稳定、安全的金属离子电池代替LIBs非常重要。最近的研究成果表明,钾离子电池(PIBs)代替LIBs作为下一代二次电池具有成本低、五毒、资源丰富、低氧化电压等优势。

设计稳定和高容量的纳米碳以实现大尺寸K+的有效嵌入/脱嵌是钾离子电池(PIBs)的一个巨大挑战。

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1. J. Alloys Compd.:单喷嘴电纺核-MoS2@FexOy@CNF负极用于锂和钾离子电池

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静电纺丝含MoS2/PMMA和Fe(NO3)3.9H2O/PAN溶液混合物的纺丝液,以开发出一种核壳结构的碳纳米纤维,用作LiS离子和K+电池的MoS2@FexOy@CNF负极。

对K离子电池(KIB)中的MoS2@FexOy@CNF电极进行了测试,在50 mA g-1时具有320 mAh g-1的可逆容量和70%的容量保持率,比原始MoS2浆料基电极提高了63%。

在电流速率为0.05、0.1、0.2、0.5和1C时,KIB的beil性能分别为387、295、265、178和109 mAh g-1。此外,新型核壳MoS2@FexOy@CNF基电极材料可安全地用于Mg离子和Na离子电池。

DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.156531

 

2.J. Electroanal. Chem.:CuO/Cu团簇修饰氮掺杂碳微纤维网络,作为钾离子电池的自支撑负极材料

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三峡大学杨学林报告了一种通过静电纺丝制备的自支撑负极材料,该材料由含CuO/Cu团簇的氮掺杂碳超细纤维(CuO/Cu-NCNFs电极)组成。通过这种方式,成功地获得了由CuO/Cu-NCNFs超细纤维交织的三维导电网络。

与氮掺杂碳超细纤维(NCNFs)相比,这种用于钾离子电池的自支撑负极材料具有更好的电化学性能。CuO/Cu-NCNFs电极在100 mA g-1下循环100次后,仍然具有205.9 mAh g-1的可逆容量。

CuO/Cu的存在显著提高了超细纤维网络的机械性能和稳定性,从而实现了CuO/Cu-NCNFs的快速动力学。

DOI: 10.1016/j.jelechem.2020.114483

 

3. Sci. Bull.:超稳定锑限制在掺氮碳纤维负极中用于高性能钾离子电池

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通过电纺丝法成功地制备了局限在掺氮碳纤维中的纳米锑,其设计目的是提高钾的储存性能。

多孔纳米纤维框架结构与碳基质中均匀分布的锑纳米组分之间的协同作用可以有效地加速离子迁移速率,并减少由K +嵌入/脱出引起的机械应力。

当用作PIB负极时,在50 mA g-1下经过200次循环后提供了360.2 mAh g-1的高可逆容量,即使在5000 mA g-1下经过1000次循环也获得了特别稳定的的容量(212.7 mAh g-1)。

DOI:10.1016/j.scib.2020.03.019

 

4. Angew:通过原位TEM揭示静电纺合金型钾离子电池负极纳米结构设计的进展

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华南理工大学张磊团队结合新的纳米结构设计和原位透射电子显微镜(TEM)来证明由成束的蛋黄壳单元组成的Sb基纳米纤维可以显著改善钾离子电池的性能。

电纺丝结合离子交换和随后的热还原来制造嵌在碳纳米纤维中的蛋黄壳Sb@C纳米盒(Sb@CNFs)。Sb纳米粒子内部在合金化/脱铝过程中发生了显著的体积膨胀/收缩,而空隙空间可以有效地缓解整体体积变化,塑料碳壳保持了电极材料的结构完整性。

Sb@C纳米盒是由碳纳米纤维缠绕而成的三维导电网络,这不仅提高了结构的稳定性,也提高了导电性。当作为PIBs的负极进行评估时,Sb@CNFs显示出显著的倍率性能和长循环寿命。

DOI:10.1002/anie.202004193

 

5. Electrochim. Acta :具有多孔负N掺杂碳纳米纤维有效改善K离子电池的电化学性能

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首次使用一种可持续且低成本的资源,即可再生丙烯酸纱作为原料,通过易用的静电纺丝,然后再进行“高温自流”来制备N掺杂的介孔碳纳米纤维(NMCNFs)技术”。

内部交联的多孔和高氮掺杂出现在N掺杂介孔碳纳米纤维中,提供了足够的活性位点并缩短了离子扩散路径。

在10 A g-1的情况下具有出色的倍率性能134 mAh g-1。即使以5 A g-1的高倍率,在20,000次循环后仍可保持122.3 mAh g-1的可逆容量。

DOI:10.1016/j.electacta.2020.135767

 

6.J. Alloys Compd.:含高度分散FeSe2纳米粒子的多孔碳纳米纤维用作钠和钾离子电池

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通过新型硒化策略制备了含高度分散FeSe2纳米粒子的中孔碳纳米纤维(FeSe2@C),并首次将其用作SIBs和KIBs的负极材料。

介孔FeSe2@C纳米复合材料具有独特的结构特征,如大表面积、高度分散的FeSe2纳米颗粒和一维介孔碳纳米纤维基质,可以有效提高电导率,促进电子/离子传输并减小体积变化,从而实现快速Na/K储存动力学、出色的结构完整性和优异的Na/K储存性能。

对于SIBs,在100个循环期间FeSe2@C显示0.2 A g-1下的充电容量高达483 mAh g-1,在1.0 A g-1下200个循环后仍能保持359 mAh g-1的容量。当用作KIBs负极极时,FeSe2@C在0.1 A g-1时显示出352 mAh g-1的高充电容量。

DOI:10.1016/j.jallcom.2020.155265

 

7. J. Alloys Compd.:锥形棒状NiCo2S4修饰的空心氮掺杂碳纤维作为自支撑阳极用于高寿命钾离子电池

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本文报告了一种新型的用于KIBs的三维结构自支撑阳极复合材料,它由锥形棒状纳米材料NiCo2S4和氮掺杂空心碳纳米纤维(NiCo2S4@N-HCNFs)组成。然后,通过高温碳化和水热反应制备了复合材料。

制备的电极材料用于组装钾离子半电池以进行电化学性能测试,在电流密度为100 mA g-1时,200次循环后的容量为263.7 mAh g-1,在电流密度为3200 mA g-1时,600次循环后仍可保持134.3 mAh g-1的稳定性。

与目前为止报道的其它金属硫化物自支撑阳极材料的KIBs相比,它具有优越的性能和方便的合成工艺。这种新型结构不仅缩短了离子传输距离,而且增加了与电解液的接触面积。它能有效地提高电化学性能。

DOI:10.1016/j.jallcom.2019.153631

 

8. J Mater. Chem. A:包覆V3S4微球的项链状碳纳米纤维用于超快和稳定的钾离子存储

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合理设计了一种新型的项链状V3S4/碳复合材料,该复合材料由V3S4微球包裹在N掺杂碳纳米纤维(V3S4 @ NCNFs)中,作为PIB的负极。

益于出色的离子/电子电导率、快速的电子传输,循环时的结构完整性以及显着的赝电容贡献,V3S4 @ NCNF电极在0.2 A g-1,300次循环后表现出445 m A hg-1的高可逆容量。

在2 A g-1下1000个循环中可保持245 mA hg-1容量的长期循环稳定性,在5/10 A g-1下具有249/202 mA hg-1的出色倍率性能,优于大多数报告了PIB的负极材料。

DOI:10.1039/c9ta12859j