Echipa profesorului Yan Yu de la USTC a utilizat microscopul electronic cu scanare CIQTEK SEM3200 pentru a studia morfologia post-ciclare. A dezvoltat carbon amorf cu defecte controlabile ca material candidat pentru un strat de interfață artificial care echilibrează potasiofilicitatea și activitatea catalitică .
Echipa de cercetare a preparat o serie de materiale de carbon cu diferite grade de defecte (denumite SC-X, unde X reprezintă temperatura de carbonizare) prin reglarea temperaturii de carbonizare. Studiul a constatat că SC-800 cu defecte excesive a cauzat o descompunere substanțială a electroliților, rezultând o peliculă SEI neuniformă și o durată de viață a ciclului scurtată. SC-2300, cu cele mai puține defecte, a avut o afinitate insuficientă pentru potasiu și a indus cu ușurință creșterea dendritică a potasiului. SC-1600, care poseda un strat de carbon ordonat local, a prezentat o structură de defecte optimizată, atingând cel mai bun echilibru între potasiofilicitate și activitate catalitică. Acesta a putut regla descompunerea electroliților și a forma o peliculă SEI densă și uniformă.
Rezultatele experimentale au demonstrat că SC-1600@K a prezentat stabilitate a ciclului pe termen lung, de până la 2000 de ore, sub o densitate de curent de 0,5 mA cm⁻² și o capacitate de 0,5 mAh cm⁻² . Chiar și sub o densitate de curent mai mare (1 mA cm⁻² ) și o capacitate mai mare (1 mAh cm⁻² ) , a menținut performanțe electrochimice excelente, cu cicluri stabile care depășesc 1300 de ore. În testarea cu celule complete, atunci când a fost asociat cu un electrod pozitiv PTCDA, a menținut o retenție a capacității de 78% după 1500 de cicluri la o densitate de curent de 1 A/g, demonstrând o stabilitate remarcabilă a ciclului.
Această cercetare, intitulată „Echilibrarea potasiofilicității și a activității catalitice a stratului de interfață artificial pentru bateriile metalice de sodiu/potasiu fără dendrite”, a fost publicată în Advanced Materials .
Figura 1: Sunt prezentate rezultatele analizei microstructurii probelor de carbon (SC-800, SC-1600 și SC-2300) preparate la diferite temperaturi de carbonizare. Prin tehnici precum difracția de raze X (XRD), spectroscopia Raman, spectroscopia fotoelectronică cu raze X (XPS) și împrăștierea cu raze X cu unghi larg (WAXS), au fost analizate structura cristalină, nivelul defectelor și doparea cu oxigen și azot a acestor probe. Rezultatele au arătat că, pe măsură ce temperatura de carbonizare a crescut, defectele din materialele de carbon au scăzut treptat, iar structura cristalină a devenit mai ordonată.
Figura 2: Distribuția densității de curent în timpul creșterii potasiului metalic pe diferiți electrozi negativi compoziti a fost analizată folosind simularea cu elemente finite. Rezultatele simulării au arătat că electrodul compozit SC-1600@K a prezentat o distribuție uniformă a curentului în timpul depunerii de potasiu, ceea ce a contribuit la suprimarea eficientă a creșterii dendritice. În plus, modulul Young al stratului SEI a fost măsurat folosind microscopia de forță atomică (AFM), iar rezultatele au arătat că stratul SEI de pe electrodul SC-1600@K a avut un modul mai mare, indicând o fermitate mai mare și o inhibare a formării dendritice.
Figura 3: Este prezentată performanța electrochimică a diferiților electrozi compoziti (SC-800@K, SC-1600@K și SC-2300@K) în celule simetrice. Electrodul SC-1600@K a demonstrat o stabilitate excelentă a ciclului și un suprapotențial scăzut la diferite densități și capacități de curent. În plus, spectroscopia de impedanță electrochimică (EIS) și testarea timpului Sand au confirmat în continuare avantajele electrodului SC-1600@K în suprimarea creșterii dendritice și menținerea stabilității stratului SEI.
Figura 4: Structura și compoziția stratului SEI de pe diferiți electrozi negativi compoziti au fost analizate utilizând microscopia electronică de transmisie criogenică (Cryo-TEM) și spectrometria de masă cu ioni secundari în timp de zbor (ToF-SIMS). Rezultatele au arătat că electrodul SC-1600@K a avut un strat SEI uniform, subțire și bogat în substanțe anorganice, facilitând o cinetică rapidă a transportului ionilor de potasiu și un modul Young ridicat. Straturile SEI de pe electrozii SC-800@K și SC-2300@K au prezentat caracteristici mai groase și bogate în substanțe organice.
Figura 5: Efectele configurației defectelor din stratul de carbon asupra depunerii ionilor de potasiu și formării SEI au fost explorate folosind calcule bazate pe teoria funcțională a densității (DFT). Rezultatele au arătat că o cantitate adecvată de defecte ar putea spori interacțiunea dintre ionii de potasiu și stratul de carbon, reducând suprapotențialul de nucleație, în timp ce defectele excesive ar putea duce la descompunerea excesivă a electroliților.
Figura 6: Este prezentată performanța electrochimică a unei celule complete (PTCDA//SC-1600@K) asamblată folosind electrodul SC-1600@K. Această celulă a demonstrat o performanță excelentă la viteză și stabilitate a ciclului pe termen lung la diferite densități de curent, demonstrând potențialul electrodului SC-1600@K în aplicații practice pentru baterii.
În concluzie , echipa de cercetare a proiectat și preparat cu succes un material de carbon (SC-1600) cu o structură ordonată local, servind ca strat de interfață artificial pentru electrozii negativi ai bateriilor de sodiu/potasiu metalic. Prin controlul precis al conținutului de defecte al materialului, echipa a atins echilibrul optim între potasiofilicitate și activitate catalitică, îmbunătățind semnificativ depunerea uniformă a ionilor de potasiu și promovând formarea unui strat SEI stabil. Într-o celulă simetrică de potasiu bazată pe SC-1600 într-un sistem electrolit carbonat, SC-1600@K a prezentat o stabilitate excelentă a ciclului, cu o durată de viață a ciclului care depășește 2000 de ore. În special, o celulă completă asamblată cu electrodul negativ SC-1600@K și electrodul pozitiv PTCDA a menținut o retenție a capacității de 78% după 1500 de cicluri la o densitate de curent mare de 1 A/g. Această cercetare nu numai că a stabilit un sistem model pentru optimizarea structurii SEI și a adsorbției ionilor de potasiu prin controlul defectelor stratului interfacial, dar a oferit și îndrumări teoretice importante și o cale tehnologică pentru proiectarea rațională a straturilor interfaciale protectoare în bateriile de potasiu metalic.