摘要：锑基材料因其理论比容量高，在锂离子电池和钠离子电池领域受到广泛关注，已成为新一代高能量密度电极材料。作为负极材料，锑基材料可通过转化反应和合金化反应高效储存钾离子。然而，锑基负极在高效钾离子储存方面面临诸多挑战，如结构稳定性不足、电导率差、电化学反应动力学缓慢
1成果简介
锑基材料因其理论比容量高，在锂离子电池和钠离子电池领域受到广泛关注，已成为新一代高能量密度电极材料。作为负极材料，锑基材料可通过转化反应和合金化反应高效储存钾离子。然而，锑基负极在高效钾离子储存方面面临诸多挑战，如结构稳定性不足、电导率差、电化学反应动力学缓慢等问题。本文，东北大学秦皇岛分校王志远 副教授、刘延国 教授、Hongyu Sun等研究人员在《Energy Fuels》期刊发表名为“Sb₂O₃/Sb₂S₃@Inner Wrinkled Hollow Carbon for Stable Potassium-Ion Storage”的论文，研究采用一步水热法，在内皱空心碳（IWHC）表面组装出Sb₂O₃与Sb₂S₃纳米颗粒（Sb₂O₃/Sb₂S₃@IWHC）。
所得复合负极融合了各组分不同尺寸与相态的优势：IWHC在缓解应力变化、减少副反应、增强电导率及结构稳定性方面至关重要。Sb₂O₃/Sb₂S₃颗粒在IWHC表面的优良分散性，以及转化反应与合金化反应的协同作用，显著提升了储能容量。所得Sb₂O₃/Sb₂S₃@IWHC电极展现出卓越的电化学性能：在0.2Ag⁻¹条件下实现214.2 mAh g⁻¹的高比容量，200次循环后容量保持率达89.6%，5Ag⁻¹条件下比容量达115.6 mAh g⁻¹。本研究表明，含锑化合物与IWHC的复合材料有望成为高性能钾储能的理想负极材料。
2图文导读
图1. Morphology and microstructure characterizations of the Sb2O3/Sb2S3@IWHC sample. (a) SEM, (b) TEM, and (c) HRTEM (inset: SAED pattern) images. (d–h) EDX mapping of Sb, O, S, and C elements.
图2. (a) XRD patterns and (b) Raman spectra of IWHC, Sb2S3, Sb2O3, and Sb2O3/Sb2S3@IWHC samples.
图3. High-resolution XPS spectra of the Sb2O3/Sb2S3@IWHC sample. (a) C 1s, (b) O 1s, (c) Sb 3d, and (d) S 2p.
图4. Electrochemical measurements of different electrodes. (a) The first three CV curves of the Sb2O3/Sb2S3@IWHC electrode at a scan rate of 0.1 mV s–1. GCD curves of (b) Sb2S3, (c) Sb2O3, (d) Sb2O3/Sb2S3@IWHC electrodes at 0.2 A g–1.
图5. Potassium storage performance of different electrodes. (a) Rate performance and (b) cycling performance at 0.2 A g–1 for Sb2O3/Sb2S3@IWHC, Sb2S3, and Sb2O3 electrodes. (c) Cycling performance of the Sb2O3/Sb2S3@IWHC electrode at 5 A g–1.
图6. Pseudocapacitance analysis of the Sb2O3/Sb2S3@IMHC electrode. (a) CV curves at different scan rates. (b) b value fitting results. (c) The contribution rate of pseudocapacitance at different scan rates. (d) Pseudocapacitance contribution at a scan rate of 1.5 mV s–1.
图7. Nyquist plots for the Sb2S3 electrode, Sb2O3 electrode, and Sb2O3/Sb2S3@IWHC electrode in a frequency range from 100 kHz to 0.01 Hz. The inset is the equivalent circuit diagram.
3小结
采用IWHC作为基底，通过一步水热法合成了Sb₂O₃/Sb₂S₃@IWHC复合阳极。通过多种表征技术研究了Sb₂O₃/Sb₂S₃@IWHC电极的微观结构与化学组成。当作为钾离子电池负极时，该电极展现出优异的钾离子存储性能：在0.2A g–1电流密度下连续工作200次后，容量保持率达89.6%。在2A g–1电流密度下可逆容量达147.6 mAh g–1。即使在5A g–1高电流密度条件下，经2000次循环后仍保持115.6 mAh g–1的可逆容量，容量保持率高达75.6%。电化学性能的提升归功于IWHC独特的内皱褶空心结构及具有优良分散性的Sb₂O₃/Sb₂S₃复合体系，该体系提供了大量活性位点，缩短了离子传输路径，并抑制了界面副反应的发生。该方法在开发新一代PIBs复合电极方面具有巨大潜力，其独特设计理念亦可应用于其他储能材料的合成。综上所述，Sb₂S₃/Sb₂O₃@IWHC复合材料在半电池中展现出优异的合金化-去合金化可逆性。但要实现实际应用，需在贫电解质条件下与兼容阴极（如LiFePO₄、LiCoO₂）进行全电池评估。此类研究将解决实际电池系统中的关键挑战，包括界面稳定性与能量效率问题。
文献：https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5c03477
来源：科学奇妙元素