空心硫化物壳层结构精确调控助力高温钾电池

近日，暨南大学化学与材料学院教授宾德善、李丹团队通过精确调控空心硫化锌/碳纳米复合物（h-ZnS@C）的外壳厚度，获得了研究壳结构-储钾性能关系的模型电极材料，研究并揭示了空心颗粒壳厚度与储钾动力学、稳定性间的关系。在基于构效关联机制的认识下，通过合理调控壳层结构，获得了适用于室温及高温环境下的高稳定高容量储钾负极。相关成果发表于《德国应用化学》。

钾离子电池资源丰富，是低成本电化学储能技术发展的重要方向。然而，因钾离子尺寸大，开发兼顾高比容量、高稳定的钾离子电池负极成为难题。特别地，对于高温环境应用场景，温度升高将加剧电极材料结构和性能的衰退。将高比容量储钾负极材料如合金负极、金属硫化物设计成空心结构，已被证实可以提升结构稳定性和电极动力学。

而对于金属硫化物空心颗粒材料，壳层结构（如壳厚度）极可能是影响空心金属硫化物电极稳定性和动力学的关键因素，揭示其中的构效关系对合理设计适用不同场景（包括极端温度场景）的高容量、长寿命电极材料具有重要意义。然而，由于缺乏有效的模型电极，壳层结构如何影响空心电极颗粒性能的构效关系仍难以被直接证明。

鉴于此，团队通过精确调控空心硫化物的壳层厚度，获得了研究壳层结构和储钾性能间构效关系的研究模型，证实了如下构效关系：随着壳厚的增加，电池循环稳定性增强，但容量及倍率性能下降。这揭示了平衡壳层结构变化对储钾性能带来的正反两种不同贡献是实现最优综合性能的关键。基于这一发现，本工作发展出了适应于常温和高温钾离子电池负极的空心硫化锌-碳复合负极材料。

上述研究获得了适用于常温和高温条件下的高比容量长寿命储钾负极，提供了一种构筑不同壳结构空心颗粒的有效手段。同时提供了独特的模型电极材料，直接揭示了壳层厚度与储能性能间的构效关系。当前空心结构颗粒在储能、催化、吸附和生物医药等领域备受关注，因此本研究将为如何设计和调控空心颗粒的壳层结构，充分激发其在不同领域的应用潜力提供重要借鉴。

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/ange.202402497