钾离子电池由于具有钾资源丰富且价格低廉等优点,被认为是新型电化学储能系统中极具潜力的候选者之一。合金型负极材料(铋、锡、锑等)凭借高的理论比容量和合适的工作电压平台等特点引起了研究者的广泛关注。然而,这类材料在脱嵌钾过程中的体积膨胀会导致容量快速衰减,从而限制了其应用。制备高质量的双金属合金型负极纳米材料是实现高性能钾离子电池的关键所在。在传统管式炉退火(TFA)处理过程中,由于固有的缓慢加热/冷却速率(<10 K s-1)和长达数小时的处理时间,合金材料容易出现颗粒粗化/生长/团聚、不均匀尺寸分布和金属组分的挥发等问题。因此,迫切需要通过一种更简单、可控的策略制备出高尺寸均匀性和高负载的超细双金属合金纳米材料。
近日,哈尔滨工业大学(深圳)袁群惠教授和天津大学陈亚楠教授等人发展了一种简单、超快的高温热辐射(HTR)的策略,实现了一系列高质量的双金属合金纳米材料的普适性制备。作者以BiSb-HTR为概念验证,纳米尺寸超细且均匀的双金属合金纳米材料展现出优异的电化学性能。
在约15秒内的HTR过程中,快速的升温/降温速率(~103 K s-1),可立即产生足够高的温度(>1300 K)。碳源转化为大比表面积的N/O共掺杂介孔碳片确保了双金属纳米颗粒的形成和稳定。同时,极短的反应时间避免了金属组分的团聚/蒸发,实现了超细合金纳米颗粒的均匀分散。与传统的管式炉退火处理相比,HTR策略在合成工艺/条件和制备的纳米颗粒尺寸/形貌等方面显示出独特的优势。 基于BiSb-HTR材料的独特结构优势(超细的纳米尺寸、高密度的均匀分布、高的合金含量),BiSb-HTR展现出稳定且优异的储钾性能。并且,研究人员结合电化学原位XRD技术,揭示了BiSb-HTR的储钾机理。 更重要的是,超快速的HTR方法能够扩展应用于其他双金属合金纳米材料的制备,例如:SnSb、CoSb、NiSb、FeSb、SnBi和Cu2Sb等。并且,研究人员利用高效的HTR策略实现了克级钾离子电池材料的合成。该工作不仅为设计高性能高质量钾离子电池合金型电极材料提供了一条新途径,而且对其他能量储存与转换领域的应用和发展起到了指导意义。 论文信息 Ultrarapid Nanomanufacturing of High-Quality Bimetallic Anode Library toward Stable Potassium-Ion Storage Shuming Dou, Jie Xu, Danfeng Zhang, Wen Liu, Cuihua Zeng, Jiangchao Zhang, Zhedong Liu, Haoqiang Wang, Yani Liu, Yu Wang, Yanbing He, Wei-Di Liu, Wei Gan*, Yanan Chen*, Qunhui Yuan* Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202303600