Il team USTC "AM" | CIQTEK SEM assiste nell'analisi microscopica della morfologia dell'anodo metallico di potassio

La squadra del professor Yan Yu all'USTC ha utilizzato IL CIQTEK SinscatolamentoEelettroneMmicroscopio SEM3200 Per studiare la morfologia post-ciclaggio, è stato sviluppato carbonio amorfo con difetti controllabili come materiale candidato per uno strato di interfaccia artificiale che bilancia la potassiofilicità e l'attività catalitica.

Il team di ricerca ha preparato una serie di materiali carboniosi con diversi gradi di difettosità (definiti come SC-X, dove X rappresenta la temperatura di carbonizzazione) regolando la temperatura di carbonizzazione. Lo studio ha rilevato che l'SC-800 con difetti eccessivi ha causato una sostanziale decomposizione dell'elettrolita, con conseguente formazione di un film SEI irregolare e riduzione del ciclo di vita. L'SC-2300, con il minor numero di difetti, presentava un'affinità insufficiente per il potassio e induceva facilmente la crescita dendritica del potassio. L'SC-1600, che possedeva uno strato di carbonio localmente ordinato, mostrava una struttura di difetti ottimizzata, raggiungendo il miglior equilibrio tra potassiofilicità e attività catalitica. Era in grado di regolare la decomposizione dell'elettrolita e formare un film SEI denso e uniforme.

I risultati sperimentali hanno dimostrato che SC-1600@K ha mostrato una stabilità del ciclo a lungo termine fino a 2000 ore con una densità di corrente di 0,5 mA cm^-2 e una capacità di 0,5 mAh cm^-2Anche con densità di corrente più elevate (1 mA cm^-2) e capacità (1 mAh cm^-2), ha mantenuto eccellenti prestazioni elettrochimiche con cicli stabili superiori a 1300 ore. Nei test a cella intera, se abbinata a un elettrodo positivo PTCDA, ha mantenuto il 78% di ritenzione della capacità dopo 1500 cicli a una densità di corrente di 1 A/g, dimostrando un'eccezionale stabilità del ciclo.

Questa ricerca, intitolataè stato pubblicato inMateriali avanzati.

Figura 1:Vengono presentati i risultati dell'analisi microstrutturale di campioni di carbonio (SC-800, SC-1600 e SC-2300) preparati a diverse temperature di carbonizzazione. Attraverso tecniche come la diffrazione dei raggi X (XRD), la spettroscopia Raman, la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) e la diffusione di raggi X ad ampio angolo (WAXS), sono stati analizzati la struttura cristallina, il livello di difettosità e il drogaggio con ossigeno e azoto di questi campioni. I risultati hanno mostrato che all'aumentare della temperatura di carbonizzazione, i difetti nei materiali di carbonio diminuivano gradualmente e la struttura cristallina diventava più ordinata.

Figura 2:La distribuzione della densità di corrente durante la crescita del potassio metallico su diversi elettrodi negativi compositi è stata analizzata utilizzando una simulazione agli elementi finiti. I risultati della simulazione hanno mostrato che l'elettrodo composito SC-1600@K presentava una distribuzione di corrente uniforme durante la deposizione del potassio, contribuendo a inibire efficacemente la crescita dendritica. Inoltre, il modulo di Young dello strato di SEI è stato misurato utilizzando la microscopia a forza atomica (AFM) e i risultati hanno mostrato che lo strato di SEI sull'elettrodo SC-1600@K presentava un modulo più elevato, a indicare una maggiore compattezza e un'inibizione della formazione dendritica.

Figura 3:Vengono presentate le prestazioni elettrochimiche di diversi elettrodi compositi (SC-800@K, SC-1600@K e SC-2300@K) in celle simmetriche. L'elettrodo SC-1600@K ha mostrato un'eccellente stabilità di ciclo e una bassa sovratensione a diverse densità e capacità di corrente. Inoltre, la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) e il test del tempo di Sand hanno ulteriormente confermato i vantaggi dell'elettrodo SC-1600@K nel sopprimere la crescita dendritica e nel mantenere la stabilità dello strato SEI.

Figura 4:La struttura e la composizione dello strato di SEI su diversi elettrodi negativi compositi sono state analizzate utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione criogenica (Cryo-TEM) e la spettrometria di massa a ioni secondari a tempo di volo (ToF-SIMS). I risultati hanno mostrato che l'elettrodo SC-1600@K presentava uno strato di SEI uniforme, sottile e ricco di inorganici, facilitando una rapida cinetica di trasporto degli ioni potassio e un elevato modulo di Young. Gli strati di SEI sugli elettrodi SC-800@K e SC-2300@K presentavano caratteristiche più spesse e ricche di sostanze organiche.

Figura 5:Gli effetti della configurazione dei difetti nello strato di carbonio sulla deposizione di ioni potassio e sulla formazione di SEI sono stati esplorati utilizzando calcoli basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT). I risultati hanno mostrato che una quantità appropriata di difetti potrebbe migliorare l'interazione tra ioni potassio e lo strato di carbonio, riducendo il sovrapotenziale di nucleazione, mentre un numero eccessivo di difetti potrebbe portare a un'eccessiva decomposizione dell'elettrolita.

Figura 6:Vengono presentate le prestazioni elettrochimiche di una cella completa (PTCDA//SC-1600@K) assemblata utilizzando l'elettrodo SC-1600@K. Questa cella ha mostrato eccellenti prestazioni di velocità e stabilità di ciclo a lungo termine a diverse densità di corrente, dimostrando il potenziale dell'elettrodo SC-1600@K nelle applicazioni pratiche delle batterie.

Insomma,Il team di ricerca ha progettato e preparato con successo un materiale carbonioso (SC-1600) con una struttura localmente ordinata, che funge da strato di interfaccia artificiale per gli elettrodi negativi delle batterie sodio/potassio. Controllando con precisione il contenuto di difetti del materiale, il team ha raggiunto l'equilibrio ottimale tra potassiofilia e attività catalitica, migliorando significativamente la deposizione uniforme degli ioni potassio e promuovendo la formazione di uno strato SEI stabile. In una cella a simmetria di potassio basata su SC-1600 in un sistema elettrolitico a carbonato, SC-1600@K ha mostrato un'eccellente stabilità al ciclo con una durata superiore a 2000 ore. In particolare, una cella completa assemblata con l'elettrodo negativo SC-1600@K e l'elettrodo positivo PTCDA ha mantenuto il 78% di ritenzione della capacità dopo 1500 cicli a un'elevata densità di corrente di 1 A/g. Questa ricerca non solo ha stabilito un sistema modello per ottimizzare la struttura SEI e l'adsorbimento degli ioni potassio controllando i difetti dello strato interfacciale, ma ha anche fornito importanti indicazioni teoriche e un percorso tecnologico per la progettazione razionale di strati interfacciali protettivi nelle batterie al potassio metallico.