水凝胶自立式聚吡咯阴极膜用于高质量负载和低温稳定的钾离子电池

【摘要】

出于经济和环境方面的考虑，绕过传统的混合浆料并将其涂覆在集电器上的简单方法来制备电极，值得更多的关注和努力。 此外，导电聚合物，如聚吡咯和聚苯胺，由于其良好的导电性、一定的柔韧性和双离子机制，是钾离子电池的潜在候选材料。

最近，中国科学技术大学陈春华教授团队为钾离子电池用不同掺杂剂的独立式聚吡咯阴极膜的合成提供了一种经济的一步法。由于设计的优越性，正极负载质量可高达65 mg cm-2，相应的面积容量达到3.8 mAh cm-2。此外，正极薄膜在更宽的工作温度范围内保持稳定，即使在-10°C下，30次循环后仍可保持99%的容量。相关论文以题为A hydrogel-enabled free-standing polypyrrole cathode film for potassium ion batteries with high mass loading and low-temperature stability发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。

【主图导读】

图 1 (a) 报道工作的质量容量、面积容量和负载质量的比较。(b) 电极制备路线示意图。

图 2 (a) 合成的聚吡咯水凝胶的光学图像。(b)和(c)聚吡咯薄膜横截面的SEM图像。(d) 聚吡咯半电池充放电过程机制示意图。在 (e) 充电至 4 V 和 (f) 放电至 2 V 状态下阴极的元素映射。

图3 (a) 不同掺杂剂的聚吡咯的XRD图谱。(b) 不同掺杂剂的聚吡咯在 10 mA g-1 下对钾离子电池的充放电曲线。(c) DSA 掺杂的 PPy 的循环伏安曲线。(d) DSA 掺杂的 PPy 的倍率性能。(e) 在 10 mA g-1 下激活 2 个循环后，DSA 掺杂的 PPy 在 500 mA g-1 下进行 500 次充放电循环。插图：长时间循环前后的玻璃纤维（左），500 次循环期间的电压降（右）。

图 4 (a) 限制 DSA 离子扩散的玻璃纤维上的 Fe2O3 层示意图。(b) 第 20 次循环和 SDS 后背面玻璃纤维的 FTIR 光谱。(c) 具有或不具有 Fe2O3 涂层的样品在 10 mA g-1 的电流密度下在 20 次循环中的容量和 (d) 电位降比较。PPy 质量负载为 20 mg cm-2。

图 5 质量负载为（a）20、（b）40 和（c）65 mg cm-2 在 20 °C 下的三个样品的质量容量和面积容量。插图是横截面图。(d) 三个样品的质量载荷与厚度的关系。(e) 40°C 下不同负载的容量保持率。(f) 负载为 40 mg cm-2 的低温下容量保持率。插图是由基于 PPy 的 PIB 供电的发光 LED 灯泡。充放电循环性能在10 mA g-1的电流密度下运行。

【总结】

为了更简单的制造、更高的负载质量和更宽的工作温度窗口，该团队提出了一种针对高性能聚吡咯钾离子电池的创新方法。已选择最佳掺杂剂 DSA 来扩大 PPy 的平均分子距离，并且 KIB 半电池已获得 110 mA h g-1 的初始放电容量。在 DSA 的帮助下，PPy 水凝胶被合成并被视为独立 PPy 膜的前体。针对充放电过程中掺杂剂的损失，我们想出了一种巧妙的方法来抑制 Fe2O3 纳米粒子的掺杂剂 DSA。因此，稳定性大大增强，同时提高了电导率保持率和容量保持率。出于几何设计的优势，PPy 正极的负载质量可以增加到高达 65 mg cm-2 并且仍然表现出稳定的性能。此外，PPy 基钾离子电池表现出出色的低温稳定性，在 -10°C 下循环 30 次后仍能保持 99% 的容量。这种阴极薄膜为承受恶劣环境困难的功能性电池提供了可能的途径。

参考文献：

doi.org/10.1039/D1TA02209A

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