El equipo de USTC «AM» | CIQTEK SEM colabora en el análisis microscópico de la morfología del ánodo metálico de potasio

El equipo del profesor Yan Yu en la USTC utilizó el CIQTEK SenvasemilectrónMETROmicroscopio SEM3200 Para estudiar la morfología posciclado, se desarrolló carbono amorfo con defectos controlables como material candidato para una capa de interfaz artificial que equilibra la potasiofilicidad y la actividad catalítica.

El equipo de investigación preparó una serie de materiales de carbono con diferentes grados de defectos (denominados SC-X, donde X representa la temperatura de carbonización) mediante la regulación de dicha temperatura. El estudio reveló que el SC-800, con un exceso de defectos, provocó una descomposición electrolítica considerable, lo que resultó en una película de SEI irregular y una reducción de la vida útil. El SC-2300, con el menor número de defectos, presentó una afinidad insuficiente por el potasio e indujo fácilmente el crecimiento dendrítico de potasio. El SC-1600, con una capa de carbono localmente ordenada, presentó una estructura de defectos optimizada, logrando el mejor equilibrio entre potasiofilicidad y actividad catalítica. Logró regular la descomposición electrolítica y formar una película de SEI densa y uniforme.

Los resultados experimentales demostraron que SC-1600@K exhibió estabilidad de ciclo a largo plazo por hasta 2000 horas bajo una densidad de corriente de 0,5 mA cm^-2 y una capacidad de 0,5 mAh cm^-2Incluso con una mayor densidad de corriente (1 mA cm^-2) y capacidad (1 mAh cm^-2), mantuvo un excelente rendimiento electroquímico con ciclos estables que superaron las 1300 horas. En pruebas de celda completa, al combinarse con un electrodo positivo PTCDA, mantuvo una retención de capacidad del 78 % después de 1500 ciclos a una densidad de corriente de 1 A/g, demostrando una estabilidad de ciclo excepcional.

Esta investigación, tituladafue publicado enMateriales avanzados.

Figura 1:Se presentan los resultados del análisis microestructural de muestras de carbono (SC-800, SC-1600 y SC-2300) preparadas a diferentes temperaturas de carbonización. Mediante técnicas como difracción de rayos X (DRX), espectroscopia Raman, espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y dispersión de rayos X de ángulo amplio (WAXS), se analizaron la estructura cristalina, el nivel de defectos y el dopaje con oxígeno y nitrógeno de estas muestras. Los resultados mostraron que, a medida que aumentaba la temperatura de carbonización, los defectos en los materiales de carbono disminuían gradualmente y la estructura cristalina se volvía más ordenada.

Figura 2:Se analizó la distribución de la densidad de corriente durante el crecimiento del metal potasio en diferentes electrodos negativos compuestos mediante simulación de elementos finitos. Los resultados de la simulación mostraron que el electrodo compuesto SC-1600@K presentó una distribución de corriente uniforme durante la deposición de potasio, lo que contribuyó a suprimir eficazmente el crecimiento dendrítico. Además, se midió el módulo de Young de la capa SEI mediante microscopía de fuerza atómica (AFM), y los resultados mostraron que la capa SEI del electrodo SC-1600@K presentó un módulo más alto, lo que indica una mayor firmeza e inhibición de la formación dendrítica.

Figura 3:Se presenta el rendimiento electroquímico de diferentes electrodos compuestos (SC-800@K, SC-1600@K y SC-2300@K) en celdas simétricas. El electrodo SC-1600@K mostró una excelente estabilidad de ciclo y un bajo sobrepotencial a diferentes densidades y capacidades de corriente. Además, la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) y las pruebas de tiempo de Sand confirmaron las ventajas del electrodo SC-1600@K para suprimir el crecimiento dendrítico y mantener la estabilidad de la capa SEI.

Figura 4:Se analizó la estructura y composición de la capa de SEI en diferentes electrodos negativos compuestos mediante microscopía electrónica de transmisión criogénica (Cryo-TEM) y espectrometría de masas de iones secundarios por tiempo de vuelo (ToF-SIMS). Los resultados mostraron que el electrodo SC-1600@K presentaba una capa de SEI uniforme, delgada y rica en inorgánicos, lo que facilitaba una rápida cinética de transporte de iones potasio y un alto módulo de Young. Las capas de SEI en los electrodos SC-800@K y SC-2300@K mostraron características más gruesas y ricas en orgánicos.

Figura 5:Se exploraron los efectos de la configuración de defectos en la capa de carbono sobre la deposición de iones potasio y la formación de SEI mediante cálculos de la teoría del funcional de la densidad (DFT). Los resultados mostraron que una cantidad adecuada de defectos podría mejorar la interacción entre los iones potasio y la capa de carbono, reduciendo el sobrepotencial de nucleación, mientras que un exceso de defectos podría provocar una descomposición excesiva del electrolito.

Figura 6:Se presenta el rendimiento electroquímico de una celda completa (PTCDA//SC-1600@K) ensamblada con el electrodo SC-1600@K. Esta celda mostró un excelente rendimiento de velocidad y estabilidad de ciclo a largo plazo a diferentes densidades de corriente, lo que demuestra el potencial del electrodo SC-1600@K en aplicaciones prácticas de baterías.

En conclusión,El equipo de investigación diseñó y preparó con éxito un material de carbono (SC-1600) con una estructura localmente ordenada, que actúa como capa de interfaz artificial para los electrodos negativos de baterías de sodio/potasio metálico. Mediante un control preciso del contenido de defectos del material, el equipo logró el equilibrio óptimo entre potasiofilicidad y actividad catalítica, mejorando significativamente la deposición uniforme de iones de potasio y promoviendo la formación de una capa SEI estable. En una celda simétrica de potasio basada en SC-1600 en un sistema de electrolito de carbonato, SC-1600@K mostró una excelente estabilidad de ciclo con una vida útil superior a 2000 horas. Cabe destacar que una celda completa ensamblada con el electrodo negativo SC-1600@K y el electrodo positivo PTCDA mantuvo una retención de capacidad del 78 % después de 1500 ciclos a una alta densidad de corriente de 1 A/g. Esta investigación no solo estableció un sistema modelo para optimizar la estructura SEI y la adsorción de iones de potasio mediante el control de los defectos de la capa interfacial, sino que también proporcionó una guía teórica importante y una vía tecnológica para el diseño racional de capas interfaciales protectoras en baterías de metal de potasio.