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研究人員揭示一維納米結(jié)構(gòu)對(duì)鉀離子電池的影響
時(shí)間:2022-06-03 11:53來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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鉀離子電池的安全性很高，有望成為下一代儲(chǔ)能解決方案。據(jù)外媒報(bào)道，武漢理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員最近發(fā)表的論文，探討了鉀離子電池中一維納米結(jié)構(gòu)材料的當(dāng)前研究進(jìn)展和成就，尤其強(qiáng)調(diào)正、負(fù)極材料的生產(chǎn)和使用。
（圖片來源：sciencedirect）
鉀離子電池：儲(chǔ)能系統(tǒng)的未來
目前，鋰離子電池因能量密度高、壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，由于鋰供應(yīng)量有限，而且全球分布不均，其發(fā)展受到影響。
鉀的天然儲(chǔ)量較多，而且具有與鋰相似的物理和化學(xué)特征。因此，在大規(guī)模燃料電池應(yīng)用中，鉀離子電池（PIBs）被視為鋰電池的潛在替代品之一。然而，目前這種新型儲(chǔ)能系統(tǒng)還處于起步階段，并且存在一定的挑戰(zhàn)。這主要是因?yàn)殁涬x子相應(yīng)的原子半徑很大，大大降低了擴(kuò)散速率。因此，開發(fā)高效電極材料，對(duì)于提高鉀離子電池的實(shí)用性，具有重要意義。
通過1D納米結(jié)構(gòu)電極材料提高鉀離子電池的性能
使用納米結(jié)構(gòu)一維（1D）電極納米材料，可以有效縮短離子擴(kuò)散通道，增加電解液和電極界面的面積，并充分減少體積變化，顯著提高鉀離子電池的電化學(xué)性能。
在諸多1D納米結(jié)構(gòu)中，納米線、納米片、碳納米管、納米纖維和納米點(diǎn)，由于性能獨(dú)特而備受關(guān)注。1D超長(zhǎng)納米材料具有可以構(gòu)建成連接網(wǎng)狀物的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)，可用于創(chuàng)建獨(dú)立的可擴(kuò)展電極。這樣的獨(dú)立電極可立即作為功能電極材料，輕松應(yīng)用于鉀離子電池。
1D納米結(jié)構(gòu)正、負(fù)極材料
堆疊過渡金屬氧化物、聚合物分子、普魯士藍(lán)和相關(guān)的有機(jī)衍生物，都是最常見的已知鉀離子電池正極化合物。然而，以往關(guān)于在正極中使用1D納米材料的研究很少。只有釩基化合物、錳氧化物和二元金屬多層氧化物正極材料，含有1D納米結(jié)構(gòu)。
關(guān)于在負(fù)極材料中使用1D納米材料的研究和應(yīng)用非常廣泛和詳細(xì)。在鉀離子電池中，石墨烯、非石墨碳、金屬硫化物、硒化物、氧化物，以及不同的復(fù)合材料，都是常用的負(fù)極材料。
1D納米材料的表征方法
為了揭示反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和電極的形態(tài)特征，需要進(jìn)行復(fù)雜的表征。在領(lǐng)先燃料電池的電解過程中，非原位分析不能很好地分析反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。
通過原位表征，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原始位置的電極物質(zhì)，為了解電極的相變和結(jié)構(gòu)變化機(jī)制提供更全面深入的信息。1D納米材料為原位表征提供了簡(jiǎn)單而有效的環(huán)境。作為部分關(guān)鍵的原位表征方法，可使用原位透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）和拉曼測(cè)試方法，研究鉀離子電池中的1D納米結(jié)構(gòu)電極材料。
未來前景和需要解決的問題
1D納米材料的表面積大，能夠提供較大的電極-電解液接觸面積，因此可以加快電解過程。但是作為電極和電解液之間二次反應(yīng)的主要驅(qū)動(dòng)因素，在1D納米結(jié)構(gòu)中這一優(yōu)勢(shì)反過來也成為一個(gè)問題，可能導(dǎo)致庫侖效率降低和電位衰減。
該問題并不僅僅存在于鉀離子電池的1D納米電極材料中，在其他電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中也是障礙之一。通過微調(diào)1D納米材料的多孔性和體積，以及開發(fā)層次異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可能提供有效的解決方案。
總的來說，關(guān)于鉀離子電池中使用的1D納米結(jié)構(gòu)電極材料的研究，目前還處于早期階段。因此，需要將基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來。
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