空心硫化物殼層結構精確調控助力高溫鉀電池

近日，暨南大學化學與材料學院教授賓德善、李丹團隊通過精確調控空心硫化鋅/碳納米復合物（h-ZnS@C）的外殼厚度，獲得了研究殼結構-儲鉀性能關系的模型電極材料，研究并揭示了空心顆粒殼厚度與儲鉀動力學、穩定性間的關系。在基于構效關聯機制的認識下，通過合理調控殼層結構，獲得了適用于室溫及高溫環境下的高穩定高容量儲鉀負極。相關成果發表于《德國應用化學》。

鉀離子電池資源豐富，是低成本電化學儲能技術發展的重要方向。然而，因鉀離子尺寸大，開發兼顧高比容量、高穩定的鉀離子電池負極成為難題。特別地，對于高溫環境應用場景，溫度升高將加劇電極材料結構和性能的衰退。將高比容量儲鉀負極材料如合金負極、金屬硫化物設計成空心結構，已被證實可以提升結構穩定性和電極動力學。

而對于金屬硫化物空心顆粒材料，殼層結構（如殼厚度）極可能是影響空心金屬硫化物電極穩定性和動力學的關鍵因素，揭示其中的構效關系對合理設計適用不同場景（包括極端溫度場景）的高容量、長壽命電極材料具有重要意義。然而，由于缺乏有效的模型電極，殼層結構如何影響空心電極顆粒性能的構效關系仍難以被直接證明。

鑒于此，團隊通過精確調控空心硫化物的殼層厚度，獲得了研究殼層結構和儲鉀性能間構效關系的研究模型，證實了如下構效關系：隨著殼厚的增加，電池循環穩定性增強，但容量及倍率性能下降。這揭示了平衡殼層結構變化對儲鉀性能帶來的正反兩種不同貢獻是實現最優綜合性能的關鍵。基于這一發現，本工作發展出了適應于常溫和高溫鉀離子電池負極的空心硫化鋅-碳復合負極材料。

上述研究獲得了適用于常溫和高溫條件下的高比容量長壽命儲鉀負極，提供了一種構筑不同殼結構空心顆粒的有效手段。同時提供了獨特的模型電極材料，直接揭示了殼層厚度與儲能性能間的構效關系。當前空心結構顆粒在儲能、催化、吸附和生物醫藥等領域備受關注，因此本研究將為如何設計和調控空心顆粒的殼層結構，充分激發其在不同領域的應用潛力提供重要借鑒。

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/ange.202402497