中科大余彦AM：平衡人工界面层亲钾性与催化活性助力无枝晶钠/钾金属电池
文摘
2024-11-19 08:18
河南
钾金属电池（PMBs）因其高能量密度和低成本，被认为是应用于电网级储能系统的有力候选技术。然而，钾的不均匀成核和固态电解质界面层（SEI）的不稳定性会导致枝晶生长和循环性能不佳，从而限制其实际应用。在此，中国科学技术大学余彦团队通过构建一种局部有序结构的碳层（SC-1600）作为人工界面层，实现了钾亲和性与催化活性之间的平衡。该优化设计能够促进钾金属的均匀成核，并形成致密的SEI层。基于此，SC-1600@K对称电池可以在0.5 mA cm⁻²电流密度和0.5 mAh cm⁻²容量条件下稳定运行2000小时。组装的全电池在1 A g⁻¹的电流密度下经过1500次循环后仍能保持78%的容量。此外，SC-1600@Na还显著延长了钠金属电池的使用寿命。图1. 吸附能和催化活性对钾沉积及SEI层形成的影响总之，该工作成功设计并制备了一种局部有序结构碳材料（SC-1600），作为Na/K金属负极的理想人工界面层，实现了稳固的界面结构、超长的循环寿命和均匀的SEI层。有限元模拟表明，SC-1600@K复合负极能够确保均匀的电场分布，并在钾沉积过程中抑制枝晶的生长。通过Cryo-TEM、ToF-SIMS和XPS分析显示，SC-1600@K复合阳极具有均匀、薄且富无机成分的SEI层结构。此外，DFT计算显示SC-1600材料具有良好的钾亲和性，并且由于其缺陷水平降低，能够避免电解质的过度分解。因此，该材料实现了钾亲和性与催化活性之间的平衡。基于此，SC-1600@K匹配的对称电池及SC-1600@K//PTCDA全电池均显示出优异的电池性能。因此，该研究提出了一个模型系统，展示了如何通过调控人工界面碳层中的缺陷位点来优化SEI层结构和钾离子的吸附行为，为钾金属电池（PMBs）的保护界面层提供了合理的设计思路。图2. PTCDA//SC-X@K电池的电化学性能Balancing Potassiophilicity and Catalytic Activity of Artificial Interface Layer for Dendrite-Free Sodium/Potassium Metal Batteries, Advanced Materials 2024 DOI: 10.1002/adma.202412446🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
