西安交大科研人员在钾离子电池领域取得重要进展

由于地壳中锂资源（0.0017 wt%）和钴资源（0.001 wt%）非常有限且分布不均，难以满足当今高速发展的电动汽车等市场对高比能电池的迫切需求，钾离子电池（PIB）被认为是在低速电动车和规模储能等应用中部分替代锂电池的有力竞争者。然而，循环应力导致的电极材料结构破坏和钾离子（K+）在电池中的电极反应和扩散动力学受限等问题阻碍了钾离子电池的实用化进程。在已知的各类电极材料中，过渡金属氧化物和硫属族化合物具有较高的理论比容量（通常大于400 mAh/g）。其中，来源广泛、成本低廉且低毒性的铁基材料备受研究者青睐。但受其本征物理化学的限制，难以兼顾快速的电荷传导与结构稳定性。清楚了解钾离子与电极材料活性物质之间的电化学反应机理与反应中间相的特征，是设计高性能电极材料的关键，但目前人们对其认知还十分有限。


针对上述问题，西安交通大学化学学院高国新副教授、丁书江教授与剑桥大学石墨烯中心郗凯博士合作，采用一种新颖的“吹泡泡”法制备出氮掺杂碳包覆的铁基硫属族化合物二维纳米复合材料（FeS2@NC），表现出优异的钾离子电池性能和应用前景。在0.1 A/g电流密度下进行钾离子半电池充放电测试，可逆比容量达到525.5 mAh/g；在10 A/g的高电流密度下的可逆比容量仍有154.7 mAh/g，循环寿命长达5000圈。与正极匹配后的钾离子全电池经120次循环后，容量保持率超过88％，库仑效率超过99.9％。密度泛函数（DFT）计算表明，硫化铁（FeS2）比硒化铁（FeSe2）表面更有利于钾离子的吸附和扩散，嵌钾中间相对钾离子吸附更强；氮掺杂碳包覆层进一步增强了电极材料和钾离子的相互作用。本工作提出的高性能电极材料设计思想和电化学反应机理研究为开发可实用化高性能电极提供了借鉴。

以上研究成果以“Blowing Iron Chalcogenides into Two-Dimensional Flaky Hybrids with Superior Cyclability and Rate Capability for Potassium Ion Batteries”为题发表在国际知名期刊《美国化学学会纳米》（ACS Nano，IF = 14.588）上。西安交通大学化学学院硕士生吴虎为本文第一作者，西安交通大学为第一署名单位。该研究工作也是高国新副教授、丁书江教授和郗凯博士继高比能钠离子电池（Nano Energy, 2019, 59, 762-772）、功能化隔膜抑制锂硫电池中穿梭效应和枝晶生长（ACS Nano, 2020, 14, 9819-9831）、钠离子电池中的相界面设计（Nano Research, 2020, 3. 2289-2298）等研究工作后在新能源电池领域合作发表的又一重要研究成果，得到国家自然科学基金、陕西省自然科学基金和西安市新能源材料重点实验室基金的支持，西安交通大学分析测试共享中心也为该研究的表征提供了大力支持。