L'équipe USTC AM | CIQTEK SEM contribue à l'analyse morphologique microscopique des anodes métalliques en potassium

L'équipe du professeur Yan Yu à l'USTC a utilisé le CIQTEK Smise en conserveElectronMmicroscope SEM3200 pour étudier la morphologie post-cyclage. Elle a développé du carbone amorphe à défauts contrôlables comme matériau candidat pour une couche d'interface artificielle équilibrant potassiophilie et activité catalytique.

L'équipe de recherche a préparé une série de matériaux carbonés présentant différents degrés de défauts (appelés SC-X, où X représente la température de carbonisation) en régulant la température de carbonisation. L'étude a révélé que le SC-800 présentant un excès de défauts provoquait une décomposition importante de l'électrolyte, entraînant un film SEI irrégulier et une durée de vie réduite. Le SC-2300, présentant le moins de défauts, présentait une affinité insuffisante pour le potassium et induisait facilement une croissance dendritique du potassium. Le SC-1600, doté d'une couche de carbone localement ordonnée, présentait une structure de défauts optimisée, offrant le meilleur équilibre entre potassiophilie et activité catalytique. Il pouvait réguler la décomposition de l'électrolyte et former un film SEI dense et uniforme.

Les résultats expérimentaux ont démontré que le SC-1600@K présentait une stabilité de cycle à long terme jusqu'à 2000 heures sous une densité de courant de 0,5 mA cm^-2 et une capacité de 0,5 mAh cm^-2. Même sous une densité de courant plus élevée (1 mA cm^-2) et capacité (1 mAh cm^-2), il a conservé d'excellentes performances électrochimiques avec des cycles stables dépassant 1 300 heures. Lors de tests en cellule complète, associé à une électrode positive PTCDA, il a conservé une capacité de rétention de 78 % après 1 500 cycles à une densité de courant de 1 A/g, démontrant une stabilité de cycle exceptionnelle.

Cette recherche, intitulée« Équilibrage de la potassiophilie et de l'activité catalytique de la couche d'interface artificielle pour les batteries sodium/potassium métal sans dendrites »,a été publié dansMatériaux avancés.

Figure 1 :Les résultats de l'analyse microstructurale d'échantillons de carbone (SC-800, SC-1600 et SC-2300) préparés à différentes températures de carbonisation sont présentés. Grâce à des techniques telles que la diffraction des rayons X (DRX), la spectroscopie Raman, la spectroscopie de photoélectrons X (XPS) et la diffusion des rayons X aux grands angles (WAXS), la structure cristalline, le niveau de défauts et le dopage en oxygène et en azote de ces échantillons ont été analysés. Les résultats ont montré qu'à mesure que la température de carbonisation augmentait, les défauts des matériaux carbonés diminuaient progressivement et la structure cristalline devenait plus ordonnée.

Figure 2 :La distribution de la densité de courant pendant la croissance du potassium métallique sur différentes électrodes négatives composites a été analysée par simulation par éléments finis. Les résultats de la simulation ont montré que l'électrode composite SC-1600@K présentait une distribution de courant uniforme pendant le dépôt de potassium, ce qui a contribué à inhiber efficacement la croissance dendritique. De plus, le module de Young de la couche SEI a été mesuré par microscopie à force atomique (AFM), et les résultats ont montré que la couche SEI de l'électrode SC-1600@K présentait un module plus élevé, indiquant sa plus grande fermeté et son inhibition de la formation dendritique.

Figure 3 :Les performances électrochimiques de différentes électrodes composites (SC-800@K, SC-1600@K et SC-2300@K) dans des cellules symétriques sont présentées. L'électrode SC-1600@K a montré une excellente stabilité de cycle et une faible surtension à différentes densités et capacités de courant. De plus, la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) et les tests de temps de Sand ont confirmé les avantages de l'électrode SC-1600@K pour supprimer la croissance dendritique et maintenir la stabilité de la couche SEI.

Figure 4 :La structure et la composition de la couche SEI de différentes électrodes négatives composites ont été analysées par microscopie électronique à transmission cryogénique (Cryo-TEM) et spectrométrie de masse des ions secondaires à temps de vol (ToF-SIMS). Les résultats ont montré que l'électrode SC-1600@K présentait une couche SEI uniforme, fine et riche en matières inorganiques, favorisant une cinétique rapide du transport des ions potassium et un module de Young élevé. Les couches SEI des électrodes SC-800@K et SC-2300@K présentaient des caractéristiques plus épaisses et riches en matières organiques.

Figure 5 :Les effets de la configuration des défauts dans la couche de carbone sur le dépôt d'ions potassium et la formation de SEI ont été étudiés à l'aide de calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Les résultats ont montré qu'une quantité appropriée de défauts pouvait améliorer l'interaction entre les ions potassium et la couche de carbone, réduisant ainsi la surtension de nucléation, tandis qu'un excès de défauts pouvait entraîner une décomposition excessive de l'électrolyte.

Figure 6 :Les performances électrochimiques d'une cellule complète (PTCDA//SC-1600@K) assemblée avec l'électrode SC-1600@K sont présentées. Cette cellule a affiché d'excellentes performances en termes de débit et une stabilité de cycle à long terme à différentes densités de courant, démontrant le potentiel de l'électrode SC-1600@K dans des applications pratiques de batteries.

En conclusion,L'équipe de recherche a conçu et préparé avec succès un matériau carboné (SC-1600) doté d'une structure localement ordonnée, servant de couche d'interface artificielle pour les électrodes négatives des batteries sodium/potassium métal. En contrôlant précisément la teneur en défauts du matériau, l'équipe a atteint l'équilibre optimal entre potassiophilie et activité catalytique, améliorant significativement le dépôt uniforme des ions potassium et favorisant la formation d'une couche SEI stable. Dans une cellule symétrique au potassium basée sur le SC-1600 dans un système électrolytique carbonaté, le SC-1600@K a présenté une excellente stabilité de cycle avec une durée de vie de plus de 2 000 heures. Notamment, une cellule complète assemblée avec l'électrode négative du SC-1600@K et l'électrode positive PTCDA a conservé une rétention de capacité de 78 % après 1 500 cycles à une densité de courant élevée de 1 A/g. Cette recherche a non seulement établi un système modèle pour optimiser la structure SEI et l'adsorption des ions potassium en contrôlant les défauts de la couche interfaciale, mais a également fourni des orientations théoriques importantes et une voie technologique pour la conception rationnelle de couches interfaciales protectrices dans les batteries au potassium métallique.