USTC-Team „AM“ | CIQTEK SEM unterstützt die mikroskopische Morphologieanalyse von Kaliummetallanoden

Das Team von Professor Yan Yu am USTC nutzte Die CIQTEK SEinmachenEElektronMMikroskop SEM3200 um die Morphologie nach dem Zyklus zu untersuchen. Es wurde amorpher Kohlenstoff mit kontrollierbaren Defekten als Kandidatenmaterial für eine künstliche Grenzflächenschicht entwickelt, die Kaliumophilie und katalytische Aktivität in Einklang bringt.

Das Forschungsteam stellte eine Reihe von Kohlenstoffmaterialien mit unterschiedlichem Defektgrad her (bezeichnet als SC-X, wobei X die Karbonisierungstemperatur darstellt), indem es die Karbonisierungstemperatur regulierte. Die Studie ergab, dass SC-800 mit übermäßigen Defekten eine erhebliche Elektrolytzersetzung verursachte, was zu einem ungleichmäßigen SEI-Film und einer verkürzten Lebensdauer führte. SC-2300, mit den wenigsten Defekten, hatte eine unzureichende Affinität zu Kalium und induzierte leicht Kaliumdendritenwachstum. SC-1600, das eine lokal geordnete Kohlenstoffschicht besaß, zeigte eine optimierte Defektstruktur und erreichte das beste Gleichgewicht zwischen Kaliumophilie und katalytischer Aktivität. Es konnte die Elektrolytzersetzung regulieren und einen dichten und gleichmäßigen SEI-Film bilden.

Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass SC-1600@K eine Langzeitzyklusstabilität von bis zu 2000 Stunden bei einer Stromdichte von 0,5 mA cm aufwies.^-2 und einer Kapazität von 0,5 mAh cm^-2. Selbst bei höherer Stromdichte (1 mA cm^-2) und Kapazität (1 mAh cm^-2) behielt es eine hervorragende elektrochemische Leistung mit stabilen Zyklen von über 1300 Stunden bei. Im Vollzellentest behielt es in Kombination mit einer positiven PTCDA-Elektrode nach 1500 Zyklen bei einer Stromdichte von 1 A/g eine Kapazitätserhaltung von 78 % bei und demonstrierte damit eine hervorragende Zyklenstabilität.

Diese Forschung mit dem Titel„Ausgleich von Kaliumophilie und katalytischer Aktivität einer künstlichen Grenzflächenschicht für dendritenfreie Natrium/Kalium-Metallbatterien“,wurde veröffentlicht inFortschrittliche Materialien.

Abbildung 1:Die Ergebnisse der Mikrostrukturanalyse von Kohlenstoffproben (SC-800, SC-1600 und SC-2300), die bei unterschiedlichen Karbonisierungstemperaturen hergestellt wurden, werden vorgestellt. Mittels Techniken wie Röntgenbeugung (XRD), Raman-Spektroskopie, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und Weitwinkel-Röntgenstreuung (WAXS) wurden die Kristallstruktur, der Defektgrad sowie die Sauerstoff- und Stickstoffdotierung dieser Proben analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass mit steigender Karbonisierungstemperatur die Defekte in den Kohlenstoffmaterialien allmählich abnahmen und die Kristallstruktur geordneter wurde.

Abbildung 2:Die Stromdichteverteilung während des Kaliummetallwachstums auf verschiedenen negativen Verbundelektroden wurde mittels Finite-Elemente-Simulation analysiert. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die Verbundelektrode SC-1600@K während der Kaliumabscheidung eine gleichmäßige Stromverteilung aufwies, was zur wirksamen Unterdrückung des dendritischen Wachstums beitrug. Zusätzlich wurde der Elastizitätsmodul der SEI-Schicht mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass die SEI-Schicht auf der SC-1600@K-Elektrode einen höheren Elastizitätsmodul aufwies, was auf eine höhere Festigkeit und eine Hemmung der dendritischen Bildung hindeutet.

Abbildung 3:Die elektrochemische Leistung verschiedener Verbundelektroden (SC-800@K, SC-1600@K und SC-2300@K) in symmetrischen Zellen wird vorgestellt. Die SC-1600@K-Elektrode zeigte eine ausgezeichnete Zyklenstabilität und geringe Überspannung bei unterschiedlichen Stromdichten und Kapazitäten. Darüber hinaus bestätigten die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und Sands Zeittests die Vorteile der SC-1600@K-Elektrode bei der Unterdrückung dendritischen Wachstums und der Aufrechterhaltung der SEI-Schichtstabilität.

Abbildung 4:Die Struktur und Zusammensetzung der SEI-Schicht auf verschiedenen Komposit-Negativelektroden wurde mittels kryogener Transmissionselektronenmikroskopie (Kryo-TEM) und Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die SC-1600@K-Elektrode eine gleichmäßige, dünne und anorganisch reiche SEI-Schicht aufwies, die eine schnelle Kaliumionentransportkinetik und einen hohen Elastizitätsmodul ermöglichte. Die SEI-Schichten der SC-800@K- und SC-2300@K-Elektroden wiesen dickere und anorganisch reiche Eigenschaften auf.

Abbildung 5:Die Auswirkungen der Defektkonfiguration in der Kohlenstoffschicht auf die Kaliumionenabscheidung und die SEI-Bildung wurden mithilfe von Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Rechnungen untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass eine entsprechende Anzahl von Defekten die Wechselwirkung zwischen Kaliumionen und der Kohlenstoffschicht verstärken und so die Überspannung der Kristallisationskeime reduzieren kann. Übermäßige Defekte können hingegen zu einer übermäßigen Elektrolytzersetzung führen.

Abbildung 6:Die elektrochemische Leistung einer Vollzelle (PTCDA//SC-1600@K), die mit der SC-1600@K-Elektrode montiert wurde, wird vorgestellt. Diese Zelle zeigte eine hervorragende Entladeleistung und Langzeitzyklenstabilität bei unterschiedlichen Stromdichten und demonstrierte damit das Potenzial der SC-1600@K-Elektrode in praktischen Batterieanwendungen.

Abschließend,Dem Forschungsteam gelang es, ein Kohlenstoffmaterial (SC-1600) mit lokal geordneter Struktur zu entwickeln und herzustellen, das als künstliche Grenzflächenschicht für negative Elektroden von Natrium-/Kaliummetallbatterien dient. Durch präzise Kontrolle des Defektgehalts des Materials erreichte das Team das optimale Gleichgewicht zwischen Kaliumophilie und katalytischer Aktivität, wodurch die gleichmäßige Ablagerung von Kaliumionen deutlich verbessert und die Bildung einer stabilen SEI-Schicht gefördert wurde. In einer symmetrischen Kaliumzelle auf Basis von SC-1600 in einem Carbonatelektrolytsystem zeigte SC-1600@K eine ausgezeichnete Zyklenstabilität mit einer Lebensdauer von über 2000 Stunden. Bemerkenswert ist, dass eine Vollzelle, die mit der negativen Elektrode SC-1600@K und der positiven Elektrode PTCDA zusammengesetzt war, nach 1500 Zyklen bei einer hohen Stromdichte von 1 A/g eine Kapazitätsretention von 78 % behielt. Diese Forschung hat nicht nur ein Modellsystem zur Optimierung der SEI-Struktur und der Kaliumionenadsorption durch Kontrolle der Grenzflächenschichtdefekte etabliert, sondern auch wichtige theoretische Leitlinien und einen technologischen Weg für die rationale Entwicklung von schützenden Grenzflächenschichten in Kaliummetallbatterien geliefert.