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深化解析钾离子电池钾锰氧层状正极材料的晶体构造演变及其Jahn-Teller效应的遏止
发布时间:2019-07-08 17:27:50
要害词:动力电池 锂电池

深化解析钾离子电池钾锰氧层状正极材料的晶体构造演变及其Jahn-Teller效应的遏止


本文亮点


1.首次将中子粉末衍射技能运用到钾离子正极材料的剖析中,胜利确定了应用高温固相法合成的单斜晶型层状材料P’3-type K0.3MnO2及其Co掺杂衍生材料的物质构造,而且准确剖析出材料中所含的轻质杂相K2CO3。联合古板X射线衍射技能,取得杂相K2CO3的含量。


2.通过少量的Co掺杂,替代结果部具有较高Jahn-Teller效应的Mn3+,遏止了材料充放电时爆发的Jahn-Teller畸变,为穿梭层间的K+供应了更众的各向同性迁移道径,从而进步离子扩散率,取得更好的倍率功用。


3.借帮原位同步辐射粉末衍射研讨了该类材料充放电进程中的晶体构造演变,并发明,Co掺杂材料中,层间滑移会导致了分外的相变与更大的体积改造,使其轮回稳定性低沉。


研讨配景


跟着5G技能的普及,新的能源革命曾经拉开帷幕,电化学储能技能也成为当今天下科研最热门的研讨范畴之一。锂离子电池举措此中最成熟的技能,曾经浸透到生产生存的方方面面中。思索到锂资源分布不均,价钱偏上等题目,研讨职员渐渐将目光挪动到与其具有相似化学实质且资源丰厚易得的钾上。钾离子电池的相关研讨兴起于2015年,目前还处起步阶段,且研讨要点众负极材料的开辟上,对正极材料的体恤度相对较低且希望迟缓。目前已报道的钾电正极材料中,层状过渡金属氧化物具有适合K+嵌入脱出的骨架构造且合成条件温和,是目今钾电正极材料的研讨热门,但这类材料照旧受比容量不高,轮回稳定不敷,以及倍率功用不佳等题目的限制。


效果简介


基于上述思索,澳大利亚伍伦贡大学郭再萍传授(通信作家)与毛修锋研讨员(通信作家)Advanced Energy Materials发外了题为“Structural insight into layer gliding and lattice distortion in layered manganese oxide electrodes for potassium ion batteries”的通信作品,报道了针对钾离子电池层状正极材料的最新希望。该义务深化解析了由少量钴掺杂所导致的层间滑移与晶格畸变对单斜晶型层状构造钾锰氧正极材料的构造改造及电化学功用的影响。作品配合第一作家为伍伦贡大学博士生张晴和澳大利亚核科学和技能构造(Australian Nuclear Science and Technology Organisation,ANSTO)博士后研讨员Christophe Didier。


图文导读


Fig. 1 a)和b)区分是K0.3MnO2和K0.3Mn0.95Co0.05O2的精修中子衍射谱图(NDP); c) K0.3Mn0.95Co0.05O2的STEM图; d) K0.3Mn0.95Co0.05O2的SEM图; e) K0.3Mn0.95Co0.05O2的EDX元素分布图。


如Fig. 1所示,通过中子粉末衍射技能确定轻质杂相K2CO3保管于K0.3MnO2和K0.3Mn0.95Co0.05O2中,另外K0.3Mn0.95Co0.05O2另有极少量的K0.51Mn0.94O2。STEM图像显示(001)晶面的间距为0.64nm。


Fig. 2 a) K0.3Mn0.95Co0.05O2和K0.3MnO2扫速0.1 mV/s下的轮回伏安弧线; b) K0.3Mn0.95Co0.05O2的充放电弧线; c) K0.3MnO2的充放电弧线; d) K0.3Mn0.95Co0.05O2和K0.3MnO2的倍率功用; e) K0.3Mn0.95Co0.05O2和K0.3MnO2的长轮回功用及库伦服从。


如Fig. 2所示,K0.3MnO2长轮回中外现出较好的稳定性,而Co掺杂样品K0.3Mn0.95Co0.05O2具有更好的倍率功用和更高的容量。


Fig. 3 a-d) 及e-h)区分为K0.3MnO2和K0.3Mn0.95Co0.05O2的原位同步辐射粉末衍射测试结果。


如Fig. 3所示,K0.3MnO2首次放电,阅历了4个单相阶段,第二次充电是有5个;而K0.3Mn0.95Co0.05O2首次放电有5个单相阶段,第二次充电时则有6个,每个单相阶段之间为一次两相构造改变。充放电进程中,K0.3Mn0.95Co0.05O2的更众一次的单相阶段会影响其长轮回功用,惹起容量衰减。


Fig. 4 基于原位同步辐射粉末衍射数据盘算取得的晶胞参数: a) K0.3MnO2; b) K0.3Mn0.95Co0.05O2; 及c) 单斜相KxMO2 (M = Mn + Co)充电进程中(x ≈ 0.1, 0.2和0.35),MO6层的滑移改造示企图。


如Fig. 4所示,具有更低a/b比的K0.3Mn0.95Co0.05O2外明,协同Jahn-Teller畸变K0.3Mn0.95Co0.05O2相中取得有用遏止,为K+(a, b)面内供应了更众的各向同性迁移道径,从而使得其倍率功用进步。


总结与展望


综上所述,作家通过少量的Co掺杂,低沉了材料中Mn3+的含量,遏止Jahn-Teller效应的协同感化,有用进步了材料的K+离子扩散系数与倍率功用,低电流密度时,较未掺杂样品,容量晋升了30%,而高电流密度下,容量进步了92%。联合原位同步辐射粉末衍射技能取得材料充放电进程中的构造改造。这个工举措钾离子电池层状正极材料的进一步的计划及改性供应了新的思道,具有十分主要的指点原理。


原文新闻


Qing Zhang, Christophe Didier, Wei Kong Pang, Yajie Liu, Zhijie Wang, Sean Li, Vanessa K. Peterson, Jianfeng Mao*, and Zaiping Guo*, Structural Insight into Layer Gliding and Lattice Distortion in Layered Manganese Oxide Electrodes for Potassium-Ion Batteries, Advanced Energy Materials, 2019, 1900568, DOI:10.1002/aenm.201900568


稿件根源: 清爽电源
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