Equipe USTC 《AM》 | CIQTEK SEM auxilia na análise morfológica microscópica do ânodo metálico de potássio

A equipe do professor Yan Yu na USTC utilizou o CIQTEK SenlatamentoEelétronMmicroscópio SEM3200 para estudar a morfologia pós-ciclagem. Desenvolveu carbono amorfo com defeitos controláveis como material candidato para uma camada de interface artificial, equilibrando potassiofilicidade e atividade catalítica.

A equipe de pesquisa preparou uma série de materiais de carbono com diferentes graus de defeitos (designados como SC-X, onde X representa a temperatura de carbonização) regulando a temperatura de carbonização. O estudo constatou que o SC-800, com defeitos excessivos, causou decomposição substancial do eletrólito, resultando em um filme SEI irregular e ciclo de vida reduzido. O SC-2300, com o menor número de defeitos, apresentou afinidade insuficiente pelo potássio e induziu facilmente o crescimento dendrítico do potássio. O SC-1600, que possuía uma camada de carbono localmente ordenada, exibiu uma estrutura de defeitos otimizada, alcançando o melhor equilíbrio entre potassiofilia e atividade catalítica. Ele conseguiu regular a decomposição do eletrólito e formar um filme SEI denso e uniforme.

Os resultados experimentais demonstraram que o SC-1600@K apresentou estabilidade de ciclo de longo prazo por até 2.000 horas sob uma densidade de corrente de 0,5 mA cm^-2 e uma capacidade de 0,5 mAh cm^-2. Mesmo sob densidade de corrente mais alta (1 mA cm^-2) e capacidade (1 mAh cm^-2), manteve excelente desempenho eletroquímico com ciclos estáveis superiores a 1.300 horas. Em testes de célula completa, quando pareado com um eletrodo positivo PTCDA, manteve 78% de retenção de capacidade após 1.500 ciclos a uma densidade de corrente de 1 A/g, demonstrando excelente estabilidade de ciclo.

Esta pesquisa, intituladafoi publicado emMateriais Avançados.

Figura 1:Apresentam-se os resultados da análise microestrutural de amostras de carbono (SC-800, SC-1600 e SC-2300) preparadas em diferentes temperaturas de carbonização. Por meio de técnicas como difração de raios X (XRD), espectroscopia Raman, espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) e espalhamento de raios X de grande angular (WAXS), foram analisadas a estrutura cristalina, o nível de defeitos e a dopagem com oxigênio e nitrogênio dessas amostras. Os resultados mostraram que, à medida que a temperatura de carbonização aumentava, os defeitos nos materiais de carbono diminuíam gradualmente e a estrutura cristalina tornava-se mais ordenada.

Figura 2:A distribuição da densidade de corrente durante o crescimento do potássio metálico em diferentes eletrodos negativos compósitos foi analisada por meio de simulação de elementos finitos. Os resultados da simulação mostraram que o eletrodo compósito SC-1600@K apresentou uma distribuição de corrente uniforme durante a deposição de potássio, o que contribuiu para a supressão eficaz do crescimento dendrítico. Além disso, o módulo de Young da camada SEI foi medido por microscopia de força atômica (AFM), e os resultados mostraram que a camada SEI no eletrodo SC-1600@K apresentou um módulo mais alto, indicando sua maior firmeza e inibição da formação dendrítica.

Figura 3:Apresenta-se o desempenho eletroquímico de diferentes eletrodos compósitos (SC-800@K, SC-1600@K e SC-2300@K) em células simétricas. O eletrodo SC-1600@K apresentou excelente estabilidade de ciclo e baixo sobrepotencial em diferentes densidades e capacidades de corrente. Além disso, a espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) e os testes de tempo de Sand confirmaram ainda mais as vantagens do eletrodo SC-1600@K na supressão do crescimento dendrítico e na manutenção da estabilidade da camada SEI.

Figura 4:A estrutura e a composição da camada SEI em diferentes eletrodos negativos compósitos foram analisadas por microscopia eletrônica de transmissão criogênica (Cryo-TEM) e espectrometria de massas de íons secundários por tempo de voo (ToF-SIMS). Os resultados mostraram que o eletrodo SC-1600@K apresentou uma camada SEI uniforme, fina e rica em inorgânicos, facilitando a cinética de transporte rápido de íons potássio e alto módulo de Young. As camadas SEI nos eletrodos SC-800@K e SC-2300@K exibiram características mais espessas e ricas em orgânicos.

Figura 5:Os efeitos da configuração de defeitos na camada de carbono na deposição de íons potássio e na formação de SEI foram explorados por meio de cálculos da teoria do funcional da densidade (DFT). Os resultados mostraram que uma quantidade adequada de defeitos poderia aumentar a interação entre os íons potássio e a camada de carbono, reduzindo o sobrepotencial de nucleação, enquanto defeitos excessivos poderiam levar à decomposição excessiva do eletrólito.

Figura 6:Apresenta-se o desempenho eletroquímico de uma célula completa (PTCDA//SC-1600@K) montada com o eletrodo SC-1600@K. Esta célula apresentou excelente desempenho de taxa e estabilidade de ciclo de longo prazo em diferentes densidades de corrente, demonstrando o potencial do eletrodo SC-1600@K em aplicações práticas de baterias.

Para concluir,A equipe de pesquisa projetou e preparou com sucesso um material de carbono (SC-1600) com uma estrutura localmente ordenada, servindo como uma camada de interface artificial para eletrodos negativos de baterias metálicas de sódio/potássio. Ao controlar precisamente o conteúdo de defeitos do material, a equipe alcançou o equilíbrio ideal entre potassiofilicidade e atividade catalítica, melhorando significativamente a deposição uniforme de íons de potássio e promovendo a formação de uma camada SEI estável. Em uma célula simétrica de potássio baseada em SC-1600 em um sistema de eletrólito de carbonato, SC-1600@K exibiu excelente estabilidade de ciclo com uma vida útil superior a 2000 horas. Notavelmente, uma célula completa montada com o eletrodo negativo SC-1600@K e o eletrodo positivo PTCDA manteve 78% de retenção de capacidade após 1500 ciclos em uma alta densidade de corrente de 1 A/g. Esta pesquisa não apenas estabeleceu um sistema modelo para otimizar a estrutura SEI e a adsorção de íons de potássio por meio do controle de defeitos da camada interfacial, mas também forneceu orientação teórica importante e um caminho tecnológico para o projeto racional de camadas interfaciais protetoras em baterias de potássio metálico.