Konstruktion af kulstofbaserede celle-lignende kugler til robust kaliumanode

Med den hurtige udvikling af smart bærbar elektronik og elbiler, forbruget af lithiumressourcer vil stige dramatisk, og omkostningerne ved lithium-ion-batterier (LIB'er) kan stige betydeligt i fremtiden. Ud over, manglen (0,0017 vægtprocent i jordskorpen) og ujævn skorpefordeling af lithium begrænser også dens videre udvikling og anvendelse. Kalium (2,7 vægtprocent i jordskorpen) har egenskaber, der ligner lithium og rigelige reserver. Derfor, som et alternativ til LIB'er, kaliumionbatterier (PIB'er) er blevet fokus for forskning. Kalium (2,92 V vs. standard hydrogenelektrode) har et standardelektrodepotentiale tættere på Li (3,04 V mod SHE) end standardelektrodepotentialet for Na (2,71 V vs. SHE), Mg (2,37 V mod SHE) og Al (1,66 V mod SHE). Det betyder, at PIB'er kan give en højere energitæthed og arbejdsspænding. Følgelig, det er af stor betydning at undersøge potentielle elektrode materialer og studere deres kalium lagringsmekanisme.

Over milliarder af år, biologiske celler udviklede sig effektivt ved naturlig selektion og resulterede i skabelsen af ​​en række forskellige organismer, og celler såsom menneskelige celler, der kan betragtes som perfekte små systemer. Strukturen af ​​sådanne celler er kompleks, men alligevel delikat med forskellige velkoordinerede strukturelle komponenter; for eksempel, cellemembranen giver adgang til biomaterialer og kan aflade metabolisk affald rettidigt. Her foreslår og demonstrerer vi, at sådanne evolution-udvalgte celler har vigtige implikationer i syntesen af ​​batterimaterialer.

I en ny forskningsartikel offentliggjort i Beijing-baserede National Science Review , forskere ved Hunan University, Central South University og Clemson University præsenterer en biomimetiske carbonceller (BCC'er) til robuste kaliumanoder. Biomimetiske carbonceller (BCC'er) består af carbonplader med en høj grad af grafitisering og carbon nanorør. Carbon nanorør forbinder indersiden og ydersiden af ​​carbonceller, giver et stort antal ionkanaler. Et stort antal ionkanaler øger diffusionsvejen for ioner og øger transmissionshastigheden. Det indre rum, som BCC besidder, giver en buffer til volumenændringen forårsaget af indsættelse af kaliumioner i grafitten, kulstofskal af den cellelignende membran kan beskytte og understøtte de indre materialer og den overordnede struktur, hvilket i høj grad forbedrer den cykliske stabilitet af PIB'er.

De BCC-baserede elektroder demonstrerede en overlegen cykelstabilitet med en stabil reversibel kapacitet på 226 mAh g ^-1 efter 2100 cyklusser ved en strømtæthed på 500 mA g ^-1 og kontinuerlig driftstid på mere end 15 måneder ved en strømtæthed på 100 mA g ^-1 . Den nuværende strategi giver en ny måde til design og fremstilling af nye biomimetiske batterimaterialer i fremtiden, og fremmer kollaborativ forskning på tværs af flere discipliner.

"Videnskabeligt, vi kombinerer det biologiske felt og materialesyntesefeltet (biomimetisk struktur), og rapportere ydeevnen og stabiliteten af ​​det syntetiserede kulstofmateriale som en kaliumionbatteri -anode, "Professor Bingan Lu sagde, "I et bredere perspektiv, undersøgelsen repræsenterer en ny strategi for at øge batteriets ydeevne, og kunne bane vejen for den næste generations batteridrevne applikationer. "