Elektroden met holle nanobuisjes verbeteren de prestaties van kalium-ionbatterijen

Onderzoekers die werken aan het vinden van alternatieven voor lithium-ionbatterijen hebben hun aandacht gericht op kalium-ionbatterijen. Kalium is een overvloedige hulpbron en de technologie functioneert op vrijwel dezelfde manier als lithium-ionbatterijen, maar deze batterijen zijn niet op grote schaal ontwikkeld omdat de ionenstraal problemen veroorzaakt bij de energieopslag en ondermaatse elektrochemische prestaties.

Om dit probleem op te lossen, overwegen onderzoekers NiCo₂Se₄, een bimetaalselenide, om bolvormige elektroden te creëren. De bollen zijn gemaakt van NiCo₂Se₄ nanobuisjes, die de elektrochemische reactiviteit verbeteren voor een snellere overdracht en opslag van kaliumionen.

Het onderzoek werd gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Energiematerialen en apparaten op 14 september.

“Bimetaalseleniden combineren de verbeterende eigenschappen van twee metalen, die synergiseren door rijke redoxreactieplaatsen en hoge elektrochemische activiteiten te vertonen. Eén bimetaalselenide, NiCo₂Se₄werd eerder onderzocht voor natriumopslag, supercondensatoren en elektrokatalysatoren en biedt een aanzienlijk potentieel voor de opslag van kaliumionen.

“Door NiCo te synthetiseren₂Se₄ Met behulp van een hydrothermisch proces in twee stappen ontwikkelt zich een nanobuisstructuur met bloemachtige clusters, waardoor handige kanalen ontstaan ​​voor de overdracht van kaliumionen/elektronen”, zegt Mingyue Wang, onderzoeker bij het Engineering Research Center of Energy Storage Materials and Devices in Xi’an. Jiaotong-universiteit in Xi’an, China.

In eerste instantie worden Ni-Co-precursorbollen met vaste nanonaalden bereid. Deze bollen hebben een goed gedefinieerde kristallijne structuur die vervolgens wordt blootgesteld aan selenide tijdens een proces dat selenisatie wordt genoemd. Dit proces introduceert selenium in de Ni-Co-voorloper, waardoor het NiCo ontstaat₂Se₄ nanobuisje omhulsel.

De holle buizen ontstaan ​​door een fenomeen dat het Kirkendall-effect wordt genoemd, waarbij twee metalen bewegen vanwege het verschil in de diffusiesnelheid van hun atomen. Deze nanobuisjes zijn ongeveer 35 nanometer breed, waardoor er voldoende ruimte is voor de overdracht van kaliumionen en elektronen.

Door middel van een verscheidenheid aan tests en analyses konden de onderzoekers bevestigen hoe goed de NiCo₂Se₄ anodes kunnen kaliumionen en elektronen verplaatsen en opslaan. Ze ontdekten dat NiCo₂Se₄ heeft meer actieve locaties dan andere elektrodematerialen, had uniform verdeelde elementen en presteerde beter dan andere elektroden die tijdens onderzoek werden getest.

“De NiCo₂Se₄ nanobuiselektroden vertoonden veel betere elektrochemische prestaties in termen van cyclische stabiliteit en snelheidsvermogen dan andere geteste elektroden, waaronder Ni₃Se₄ en co₃Se₄. Dit komt door de unieke nanobuisstructuur van NiCo₂Se₄ en de synergie die wordt geboden door de gelijktijdige aanwezigheid van twee metalen”, zegt Wang.

Deze monometallische tegenhangers, Ni₃Se₄ en co₃Se₄ waren niet zo succesvol als het bimetaal NiCo₂Se₄, simpelweg vanwege de manier waarop de twee metalen (Ni en Co) met elkaar omgaan. NiCo₂Se₄ had ook een hogere capaciteit, wat zeer gunstig is voor het behouden van de cyclische stabiliteit en hoge prestaties.

“Dit werk biedt nieuwe inzichten in het ontwerp van micro-/nano-gestructureerde binaire metaalseleniden als anoden voor kalium-ionbatterijen met buitengewone opslagprestaties voor kaliumionen”, aldus Wang.