Команда USTC《AM》 | CIQTEK SEM помогает в микроскопическом морфологическом анализе анода из металлического калия

Команда профессора Ян Ю в USTC использовала the CIQTEK СконсервированиеЭлектронМмикроскоп СЭМ3200 для изучения морфологии после циклирования. Разработан аморфный углерод с контролируемыми дефектами в качестве материала-кандидата для искусственного слоя интерфейса, уравновешивающего калиефильность и каталитическую активность.

Исследовательская группа подготовила серию углеродных материалов с различной степенью дефектов (обозначенных как SC-X, где X представляет собой температуру карбонизации) путем регулирования температуры карбонизации. Исследование показало, что SC-800 с чрезмерным количеством дефектов вызывал существенное разложение электролита, что приводило к неравномерной пленке SEI и сокращению срока службы цикла. SC-2300 с наименьшим количеством дефектов имел недостаточное сродство к калию и легко индуцировал рост дендритов калия. SC-1600, который обладал локально упорядоченным углеродным слоем, демонстрировал оптимизированную структуру дефектов, достигая наилучшего баланса между калийфильностью и каталитической активностью. Он мог регулировать разложение электролита и образовывать плотную и однородную пленку SEI.

Экспериментальные результаты показали, что SC-1600@K демонстрирует долговременную циклическую стабильность до 2000 часов при плотности тока 0,5 мА см^-2 и емкостью 0,5 мАч см^-2. Даже при более высокой плотности тока (1 мА см^-2) и емкость (1 мАч см^-2), он сохранил превосходные электрохимические характеристики со стабильными циклами, превышающими 1300 часов. При тестировании полного элемента в сочетании с положительным электродом PTCDA он сохранил 78% емкости после 1500 циклов при плотности тока 1 А/г, продемонстрировав выдающуюся стабильность цикла.

Это исследование под названием«Балансировка калийфильности и каталитической активности искусственного интерфейсного слоя для бездендритных натрий/калий-металлических батарей»,был опубликован вПродвинутые материалы.

Рисунок 1:Представлены результаты анализа микроструктуры образцов углерода (SC-800, SC-1600 и SC-2300), приготовленных при различных температурах карбонизации. С помощью таких методов, как рентгеновская дифракция (XRD), спектроскопия Рамана, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) и широкоугольное рентгеновское рассеяние (WAXS), были проанализированы кристаллическая структура, уровень дефектов и легирование кислородом и азотом этих образцов. Результаты показали, что с повышением температуры карбонизации дефекты в углеродных материалах постепенно уменьшались, а кристаллическая структура становилась более упорядоченной.

Рисунок 2:Распределение плотности тока во время роста металлического калия на различных композитных отрицательных электродах было проанализировано с помощью моделирования методом конечных элементов. Результаты моделирования показали, что композитный электрод SC-1600@K продемонстрировал равномерное распределение тока во время осаждения калия, что помогло эффективно подавить рост дендритов. Кроме того, модуль Юнга слоя SEI был измерен с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), и результаты показали, что слой SEI на электроде SC-1600@K имел более высокий модуль, что указывает на его более высокую твердость и ингибирование образования дендритов.

Рисунок 3:Представлены электрохимические характеристики различных композитных электродов (SC-800@K, SC-1600@K и SC-2300@K) в симметричных ячейках. Электрод SC-1600@K продемонстрировал превосходную стабильность цикла и низкое перенапряжение при различных плотностях тока и мощностях. Кроме того, электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) и испытание по времени Сэнда дополнительно подтвердили преимущества электрода SC-1600@K в подавлении роста дендритов и поддержании стабильности слоя SEI.

Рисунок 4:Структура и состав слоя SEI на различных композитных отрицательных электродах были проанализированы с помощью криогенной просвечивающей электронной микроскопии (Cryo-TEM) и времяпролетной вторичной ионной масс-спектрометрии (ToF-SIMS). Результаты показали, что электрод SC-1600@K имел однородный, тонкий и богатый неорганикой слой SEI, что способствовало быстрой кинетике переноса ионов калия и высокому модулю Юнга. Слои SEI на электродах SC-800@K и SC-2300@K демонстрировали более толстые и богатые органикой характеристики.

Рисунок 5:Влияние конфигурации дефектов в углеродном слое на осаждение ионов калия и формирование SEI было исследовано с использованием расчетов теории функционала плотности (DFT). Результаты показали, что соответствующее количество дефектов может усилить взаимодействие между ионами калия и углеродным слоем, снижая перенапряжение зародышеобразования, в то время как избыточные дефекты могут привести к чрезмерному разложению электролита.

Рисунок 6:Представлены электрохимические характеристики полной ячейки (PTCDA//SC-1600@K), собранной с использованием электрода SC-1600@K. Эта ячейка продемонстрировала превосходные скоростные характеристики и долгосрочную циклическую стабильность при различных плотностях тока, что демонстрирует потенциал электрода SC-1600@K в практических применениях батарей.

В заключение,исследовательская группа успешно разработала и подготовила углеродный материал (SC-1600) с локально упорядоченной структурой, служащий искусственным интерфейсным слоем для отрицательных электродов натрий/калиевых металлических аккумуляторов. Благодаря точному контролю содержания дефектов в материале, группа достигла оптимального баланса между калиефильностью и каталитической активностью, значительно улучшив равномерное осаждение ионов калия и способствуя формированию стабильного слоя SEI. В симметричной по калию ячейке на основе SC-1600 в системе карбонатного электролита SC-1600@K продемонстрировал превосходную циклическую стабильность со сроком службы цикла, превышающим 2000 часов. Примечательно, что полная ячейка, собранная с отрицательным электродом SC-1600@K и положительным электродом PTCDA, поддерживала сохранение емкости 78% после 1500 циклов при высокой плотности тока 1 А/г. Это исследование не только создало модельную систему для оптимизации структуры SEI и адсорбции ионов калия путем контроля дефектов интерфейсного слоя, но и предоставило важные теоретические рекомендации и технологический путь для рационального проектирования защитных интерфейсных слоев в калий-металлических батареях.