湖南大学|樊令副教授/秦志辉教授等AEM研究型论文：锂、钠、钾离子在同种有机材料中的输运性能一样吗？- 大数跨境

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湖南大学|樊令副教授/秦志辉教授等AEM研究型论文：锂、钠、钾离子在同种有机材料中的输运性能一样吗？

科学材料站

2020-11-05

导读：本文阐明和总结有机材料做碱金属离子电池电极的电化学性能和转化规律可为开发低成本、可持续发展的高性能碱金属离子电池提供实用指导。

文章信息

利用聚（2,6-蒽醌硫化物）正极探索锂、钠、钾离子电池的电化学性能规律

第一作者：胡艳瑶，高阳

单位：湖南大学

研究背景

由于 Li、Na、K属于第一主族元素，它们具有单电子的得/失行为，人们过去认为它们会表现出相似的电化学性能。实际上，不同碱金属离子的差异（包括离子半径，电解液结构等）可能会影响电解液的物理化学特性和电极材料的电化学反应。

此外，有机材料具有可持续、可降解、结构可控等优势成为理想电极材料的一员。因此，阐明和总结有机材料做碱金属离子电池电极的电化学性能和转化规律可为开发低成本、可持续发展的高性能碱金属离子电池提供实用指导。

本文要点

要点一：有机材料PAQS在锂、钠、钾离子电池中的电化学性能差异性

在传统低浓度电解液（1M）中，PAQS在锂、钠和钾离子电池体系中，CV曲线的氧化/还原峰的个数和电压位置有着明显的区别，说明PAQS在三种碱金属离子电池中表现不同的电化学行为。三种电池在恒电流测试下的首次放电容量的大小分别为锂离子电池（103 mAh g-1）<钠离子电池（134 mAh g-1）<钾离子电池（198 mAh g-1）。

在不同电流密度下的倍率测试，三者均表现相当的可逆性。而钾离子电池的循环稳定性有待提高。因此，作者利用调控电解液浓度（5M），与使用高浓度电解液的锂、钠离子电池相比，钾离子电池的稳定性得到显著的提升，并且用大电流（1000 mA g-1）测试1200个循环后仍有63%的容量保持率！

要点二：理论计算模拟有机材料在锂、钠、钾离子电池的电化学行为

首先利用PAQS不同聚合度下的HOMO-LUMO能级，选择了有代表性的有机分子模型(PAQS)5。然后计算各相还原化合物Lix(PAQS)5, Nax(PAQS)5 和Kx(PAQS)5 的吉布斯自由能得出各相还原电势趋势，此结果能与CV中的还原峰、放电平台相对应。

另一方面，不同的静相互作用和阳离子-π相互作用引起的结构褶皱度Kx(PAQS)5 >Nax(PAQS)5 >Lix(PAQS)5, 可能是导致锂、钠、钾电池在低浓度下循环稳定性的主要原因。

要点三：动力学计算PAQS在锂、钠、钾离子电池中的电化学行为

作者组装PAQS在三电极体系下对电池进行EIS测试，通过拟合等效电路发现，其中电荷转移阻抗大小为：锂离子电池<钠离子电池<钾离子电池。

且利用GITT等计算出各体系的离子扩散系数大小为：钾离子电池>钠离子电池>钾离子电池。由此可见，钾离子电池中较小的电荷转移阻抗和较大离子扩散系数可能更利于提供更多的比容量。

另外，作者测试了不同浓度的电解液Raman光谱发现，高浓度电解液比低浓度电解液存在更少的自由溶剂分子，这可能会抑制PAQS有机材料在电解液中的溶解，从而提高了电化学循环稳定性能。

要点四：前瞻

当前对有机材料做碱金属离子电池的了解和研究仍然有限，而综合有机材料的优势等因素，这也是未来研究的一个待开发方向。由于有机材料通常由C、H、O、N等非金属元素组成将导致导电性较差，因此对于提高有机材料的导电性是提升电池倍率性能的关键所在。

另外，有机材料在电解液中的溶解是有效提升电池稳定性的突破口。了解有机材料做碱金属离子电池电极的电化学行为规律及原因，为今后更加发挥有机材料在电池中的优势，加速其在工业市场中的应用。

文章链接

Electrochemical Study of Poly(2,6-Anthraquinonyl Sulfide) as Cathode for Alkali-Metal-Ion Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002780

通讯作者介绍

樊令副教授

湖南大学副教授，主要致力于钠、钾离子电池的研究，以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett.等期刊发表SCI论文十余篇。

秦志辉教授

湖南大学博士生导师，开展石墨烯及新型类石墨烯二维原子晶体结构的可控制备与物性调控研究，先后在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Chem. Mater., Appl. Phys. Lett., Phys. Rev. B, J. Chem. Phys.等国际知名期刊上发表SCI论文50余篇。