新聞網(wǎng)訊 可充電鉀基儲能器件具有無毒、安全、豐度高等突出優(yōu)勢,是極具應(yīng)用潛力的新一代儲能體系。然而,由于鉀離子尺寸較大,在多次充電/放電過程中往往會造成較大的晶格應(yīng)變,造成電極材料粉化和較差的循環(huán)穩(wěn)定性,這使得面對可充電鉀基儲能器件的電極材料設(shè)計充滿挑戰(zhàn)。
鑒于此,物理科學(xué)學(xué)院教授李洪森設(shè)計并研發(fā)了一類具有中空棱柱結(jié)構(gòu)的FeTiO3儲鉀材料,并明晰了其儲鉀機制。相關(guān)研究成果以“Understanding the predominant potassium-ion intercalation mechanism of single-phased bimetal oxides by in situ magnetometry”為題發(fā)表在國際頂刊《Nano Letters》上。青島大學(xué)為獨立完成單位,李洪森為通訊作者,課題組研究生趙忠晨(被復(fù)旦大學(xué)錄取攻讀博士學(xué)位)、張昊(被復(fù)旦大學(xué)錄取攻讀博士學(xué)位)、李菲(被南開大學(xué)錄取攻讀博士學(xué)位)為共同第一作者。
在該項研究中,李洪森及團隊成員通過多種實驗表征以及相關(guān)理論計算闡明了FeTiO3材料在儲鉀中以嵌入機理為主,伴隨少量轉(zhuǎn)化反應(yīng),與FeTiO3材料儲鋰和儲鈉過程轉(zhuǎn)化型機理有著本質(zhì)的區(qū)別,這是由于K離子嵌入時Fe原子周圍的再雜化程度高于其他金屬離子(如Li和Na)所導(dǎo)致。得益于特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計,中空棱柱FeTiO3材料在鉀離子嵌入/脫嵌過程中表現(xiàn)出快速的動力學(xué)響應(yīng),實現(xiàn)了高能量密度(217 Wh kg-1)、高功率密度(5000 W kg-1)以及出色的循環(huán)穩(wěn)定性(在1000 mA g-1下循環(huán)10000次后容量保持率>92%)。該工作揭示了一種全新的以嵌入機理為主,伴隨少量轉(zhuǎn)化的儲鉀機制,并為設(shè)計制備具有優(yōu)異電化學(xué)性能的可充電鉀基儲能器件電極材料提供了重要理論依據(jù)。
論文信息:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03849.