【儀表網 研發快訊】近日，上海交通大學化學化工學院在Angewandte Chemie International Edition期刊上發表了題為“A Bandgap-Tuned Tetragonal Perovskite as Zero-Strain Anode for Potassium-Ion Batteries”的研究論文，博士生楊偉嘉為論文第一作者，楊立教授、章正熙副研究員、張熠霄助理研究員為論文共同通訊作者。
 

　　由于豐富的鉀資源、高的理論能量密度以及優異的快充性能，鉀離子電池(PIBs)成為一類廣受關注和前景廣泛的儲能系統。然而，鉀離子電池陽極材料在儲存較大尺寸的鉀離子過程中，容易出現結構不穩定和循環性能差等問題，因此開發結構和循環穩定的陽極材料仍是一個挑戰。
 

　　作者提出了一類帶隙可調整和碳包覆的鉬摻雜鈦酸鉛鈣鈦礦材料(CMPTO)作為鉀離子電池陽極，其展現出零應變的K+存儲特性，具有高度結構穩定性以及超穩定循環特性。如圖1所示，原位XRD表征表明CMPTO在儲鉀過程中峰位置不變，晶體結構始終保持穩定，展現出零應變特性和固溶體儲鉀機理。通過鉬(Mo)摻雜來替換晶體結構中的鈦(Ti)原子，實現了帶隙寬度的縮短，使得電子更容易從價帶被激發到導帶，從而提高了本征電子電導率；而且在晶體結構中引入離子半徑相對較大的Mo4+和Mo5+，導致晶格增大，有利于CMPTO的離子轉移。此外，碳涂層為CMPTO提供了有效的包覆，如圖1j的TEM照片所示，優化了顆粒之間的界面，提高了CMPTO顆粒之間的導電性。這不僅改善了反應動力學，還提高了CMPTO的電化學性能。
 

　　圖1 a) Rietveld細化CMPTO的XRD譜圖，b) MPTO和CMPTO的拉曼光譜，c、e、g) O 1s (c)、Mo 3d (e)、Ti 2P (f)和Pb 4f (g)的XPS光譜，d) CMPTO晶體結構示意圖，h-i) CMPTO的SEM照片(h)， CMPTO與各種元素的EDS映射照片(i)，j-l) CMPTO的TEM (j)、HRTEM (k)、SAED (l)形貌表征。
 

　　圖2 a - b) CMPTO (a)和CPTO (b) 在100 mA g-1前三圈充放電曲線,c) CMPTO和CPTO倍率性能, d) CMPTO和CPTO長循環性能, e) CMPTO在100 mA g-1的循環性能, f) CMPTO在7041 mA cm-3下的體積循環性能
 

　　通過研究CMPRO充放電性能發現(圖2)，其在500 mA g-1下實現了7000次的超穩定循環性能，容量保持率達到90%，在20 mA g-1下達到333.5 mAh g-1，在100 mA g-1下達到130.9 mAh g-1，循環600次后容量保持率達到93.8%;由于其相對較大的密度，CMPTO還實現了1111.09 mAh cm-3的卓越容量和超長的循環壽命，在7041 mA cm-3下，容量為252 mAh cm-3，循環次數為10000次。本研究提出了一種將合金元素化學加入彈性三維立方主體框架的方式，這不僅有助于在反復插入和脫出大尺寸K+時陽極材料中合金元素的穩定，而且為發展超穩定鉀離子電池陽極材料提供了一條極具發展前景的新途徑。
 

　　該研究工作得到科技部、國家自然科學基金委、上海市科委的經費資助。