文 章 信 息
用于 K-O2 电池的立方 K3-2xBaxSbSe4 固态电解质的设计与合成
第一作者：邵杰人
通讯作者：吴屹影*
单位：美国俄亥俄州立大学
研 究 背 景
钾金属由于其丰富的储备、低成本和较低的标准还原电位等特性，使得钾离子电池展现出高能量密度和高临界电流密度的潜力，逐渐成为锂离子电池后的一种有效的大规模储能方案。利用不易燃的固态电解质能够显著抑制二次钾电池（如钾氧和钾硫电池）中的氧气和多硫化合物的穿梭效应，从而实现安全性和高循环稳定性的钾电池。但是，当前关于钾离子固态电解质的探索仍在初步阶段，而且很少有材料能在室温下实现10-4 S/cm的离子电导率。因此设计并探索新的钾离子固态电解质迫在眉睫。
文 章 简 介
开发钾离子导电固态电解质（SSE）对钾电池的安全应用起着至关重要的作用。近日，来自俄亥俄州立大学的吴屹影教授课题组在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Design and Synthesis of Cubic K3-2xBaxSbSe4 Solid Electrolytes for K-O2 Batteries”的研究文章。该研究报道了一种基于硒化物的钾离子固态电解质K3SbSe4，其在室温下呈三方相，并在50°C时从三方相转变为立方相。通过钡离子掺杂的方式，课题组成功实现室温稳定的立方相（K3-2xBaxSbSe4），并在引入钾离子缺陷的同时扩大了晶格尺寸。最终K3-2xBaxSbSe4 系列固态电解质的离子电导率被提高并被成功应用于室温下运行的K-O2电池中。
本 文 要 点
在这项工作中，我们报导了一种新型钾离子固态电解质材料 K3SbSe4，它在室温下呈三方晶系结构。K3SbSe4 从三方晶系结构到立方相的转变发生在 50 ℃ 的温和温度下，是同类化合物中温度最低的。通过利用单晶 X 射线衍射，我们首次成功报道并解析了新立方相 c-K3SbSe4 的晶体结构。随后我们通过掺杂 Ba 的方法，成功地引入了 K 空位 同时扩大了晶格参数，从而在室温下稳定了立方相，并提高了导电性。最终K3-2xBaxSbSe4 在 40 °C 时的最大电导率约为 0.1 mS/cm，比未掺杂的 K3SbSe4 高出两个数量级以上。最终我们这种新型 SSE 应用于K-O2 电池中，将 O2 正极与 K 金属负极分开。这种两室 K-O2 电池可形成稳定的 SEI 层并阻止 O2 扩散到负极侧，从而保护 K 金属负极。
图1 a) 三方相 K3SbSe4 （t- K3SbSe4）的粉末 X 射线衍射 (PXRD) 精修数据。黑点和红线分别表示观测到和计算的X 射线衍射模式，绿色棒标记了 t- K3SbSe4衍射的位置，观测到的模式和计算的模式之间的差异由灰线指示。插图是t- K3SbSe4的晶体结构。b) 在干燥氮气流中以5 °C min−1的加热速率收集差示扫描量热（DSC）数据。当温度高于45°C 时会发生相变，晶体结构由三方晶系变为立方晶系。c) K3SbSe4 在 25 和 60 °C 时的变温XRD 结果（插图是从X-射线单晶衍射得到的c- K3SbSe4的晶体结构）。d) K3SbSe4样品在室温下的阻抗谱奈奎斯特图，其中实验数据显示为黑色，等效电路模型的拟合结果显示为红色。e) K3SbSe4 的离子电导率在 75 至 20 °C 之间的阿伦尼乌斯图。离子导电率测试是通过从高温冷却到低温进行的。
图2 a) K3SbSe4 的三方相和 b) K3SbSe4 的立方相的 K 离子迁移图。为提高清晰度，剔除了 Se 原子。不同的颜色表示不同的能量等值面。颜色越深表示等位面能量越低，颜色越浅表示等位面能量越高。c) K3-2xBaxSbSe4（x=0、0.2、0.3 和 0.4）在不同钡含量下的堆积化 PXRD 图。底部的一组垂直线代表了在 50 ℃ 时获得的未掺杂 K3SbSe4 立方结构的衍射位置。右侧显示了 K3-2xBaxSbSe4（x=0、0.2、0.3 和 0.4）在 2θ= 26.5°-28°（蓝色高亮）范围内的 PXRD 衍射峰的放大图。
图3 a) K3-2xBaxSbSe4晶格参数随Ba掺杂量的变化趋势。b) K3-2xBaxSbSe4（x = 0.2、0.3 和 0.4）电解质的 K 离子电导率 阿伦尼乌斯图，测试条件是从 210 °C 冷却到 20 °C。图中标注了不同化合物中 K 迁移的活化能。从图中可以看出活化能随Ba 掺杂量的增加而减小。c) K3-2xBaxSbSe4 （x=0.4）样品在室温下的阻抗光谱奈奎斯特图。d) K/K2.2Ba0.4SbSe4 碳纸电池的 LSV 曲线，
图4 a) 两室 K-O2 电池在 0.05 mA 电流下的长期循环性能和库仑效率。b) 经过固态电解质保护的金属K负极和未保护的金属K负极分别的拉曼光谱。
文 章 链 接
Design and Synthesis of Cubic K3-2xBaxSbSe4 Solid Electrolytes for K-O2 Batteries
https://doi.org/10.1002/adma.202306809
通 讯 作 者 简 介
吴屹影 教授简介：吴教授于1998年毕业于中国科学技术大学化学物理系，2003年获美国加州大学伯克利分校博士学位，导师是杨培东教授，随后在加州大学圣塔芭芭拉分校与Galen D. Stucky教授进行了博士后研究。
2005年，吴屹影教授加入了OSU的化学与生物化学系，2011年被提升为副教授，2014年晋升为正教授。2008年，他获得了研究公司的Cottrell Scholar奖，2010年获得了国家科学基金会的NSF Career奖，2014年获得了CAPA Biomatik杰出教授奖。俄亥俄州富兰克林县的Brooks委员也授予吴屹影教授一个委员奖，以表彰他在可再生能源技术方面的贡献。2011年，他在《泰晤士高等教育》 “过去十年最佳材料科学家” 排名中位居全球第六。2014年，Wu团队创立了KAir Battery, LLC，致力于KAir电池技术的研发。2015年，吴教授被Midwest Energy News评为 “40岁以下杰出40人” 。吴屹影教授还是ACS Applied Materials and Interfaces的副主编。
课 题 组 介 绍
https://research.cbc.osu.edu/wu.531/
https://www.x-mol.com/university/faculty/215560
添加官方微信 进群交流
SCI二氧化碳互助群
SCI催化材料交流群
SCI钠离子电池交流群
SCI离子交换膜经验交流群
SCI燃料电池交流群
SCI超级电容器交流群
SCI水系锌电池交流群
SCI水电解互助群
SCI气体扩散层经验交流群
备注【姓名-机构-研究方向】
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点分享
点赞支持
点在看