Elektroder med hule nanorør forbedrer ydelsen af ​​kalium-ion-batterier

Forskere, der arbejder på at finde alternativer til lithium-ion-batterier, har rettet deres opmærksomhed mod kalium-ion-batterier. Kalium er en rigelig ressource, og teknologien fungerer stort set på samme måde som lithium-ion-batterier, men disse batterier er ikke blevet udviklet i stor skala, fordi den ioniske radius forårsager problemer med energilagring og understandard elektrokemisk ydeevne.

For at løse dette problem overvejer forskere NiCo₂ Se₄ , et bimetallisk selenid, for at skabe kugleformede elektroder. Kuglerne er konstrueret med NiCo₂ Se₄ nanorør, som forbedrer den elektrokemiske reaktivitet for hurtigere overførsel og opbevaring af kaliumioner.

Forskningen blev præsenteret i et papir offentliggjort i Energy Materials and Devices den 14. september.

"Bimetalliske selenider kombinerer de forbedrende egenskaber ved to metaller, som synergi ved at vise rige redoxreaktionssteder og høje elektrokemiske aktiviteter. Et bimetallisk selenid, NiCo₂ Se₄ , blev tidligere undersøgt for natriumlagring, superkondensatorer og elektrokatalysatorer og præsenterer et betydeligt potentiale for kaliumionlagring.

"Ved at syntetisere NiCo₂ Se₄ ved hjælp af en to-trins hydrotermisk proces udvikles en nanorørstruktur med blomsterlignende klynger, hvilket skaber bekvemme kanaler til kaliumion/elektronoverførsel," sagde Mingyue Wang, en forsker ved Engineering Research Center of Energy Storage Materials and Devices i Xi'an Jiaotong University i Xi'an, Kina.

Indledningsvis fremstilles Ni-Co precursor-kugler med faste nanonåle. Disse kugler har en veldefineret krystallinsk struktur, der derefter udsættes for selenid under en proces kaldet selenisering. Denne proces introducerer selen til Ni-Co-prækursoren og udvikler NiCo₂ Se₄ nanorørsskal.

De hule rør dannes på grund af et fænomen kaldet Kirkendall-effekten, som er, når to metaller bevæger sig på grund af forskellen i diffusionshastigheden af ​​deres atomer. Disse nanorør er omkring 35 nanometer brede, hvilket giver plads nok til, at kaliumioner og elektroner kan overføres.

Gennem en række tests og analyser var forskerne i stand til at bekræfte, hvor godt NiCo₂ Se₄ anoder kunne flytte og lagre kaliumioner og elektroner. De fandt ud af, at NiCo₂ Se₄ har flere aktive steder end andre elektrodematerialer, havde ensartet fordelte elementer og udkonkurrerede andre elektroder, der blev testet under forskning.

"Nico₂ Se₄ nanorørelektrode viste en meget bedre elektrokemisk ydeevne med hensyn til cyklisk stabilitet og hastighedsevne end andre testede elektroder, inklusive Ni₃ Se₄ og Co₃ Se₄ . Dette skyldes den unikke nanorørstruktur af NiCo₂ Se₄ og den synergi, som tilstedeværelsen af ​​to metaller tilbyder," sagde Wang.

Disse monometalliske modstykker, Ni₃ Se₄ og Co₃ Se₄ var ikke så succesrige som den bimetalliske NiCo₂ Se₄ , simpelthen på grund af den måde, de to metaller (Ni og Co) interagerer på. NiCo₂ Se₄ havde også en højere kapacitet, hvilket er meget fordelagtigt for at opretholde cyklisk stabilitet og høj ydeevne.

"Dette arbejde giver ny indsigt i designet af mikro/nano-strukturerede binære metalselenider som anoder til kalium-ion-batterier med ekstraordinær kaliumion-lagringsydelse," sagde Wang.

Flere oplysninger: Mingyue Wang et al., Konverteringsmekanisme af NiCo 2Se 4 nanorør-kugleanoder til kalium-ion-batterier, energimaterialer og -enheder (2023). DOI:10.26599/EMD.2023.9370001

Leveret af Tsinghua University Press