USTC 팀《AM》 | CIQTEK SEM, 칼륨 금속 양극의 미세 형태 분석 지원

USTC의 Yan Yu 교수 팀은 그만큼 시크텍 에스제관이자형렉트론중현미경 SEM3200 사이클 후 형태를 연구하기 위해, 제어 가능한 결함을 가진 비정질 탄소를 개발하여 친칼륨성과 촉매 활성을 균형 있게 조절하는 인공 계면층의 후보 물질로 활용했습니다.

연구팀은 탄화 온도를 조절하여 결함 정도가 다른 여러 탄소 재료(SC-X로 명명, 여기서 X는 탄화 온도를 나타냄)를 제조했습니다. 연구 결과, 결함이 과도한 SC-800은 전해질 분해를 상당히 유발하여 SEI 필름의 불균일성과 사이클 수명을 단축시키는 것으로 나타났습니다. 결함이 가장 적은 SC-2300은 칼륨 친화도가 부족하여 칼륨 수지상 성장을 쉽게 유도했습니다. 국소적으로 정렬된 탄소층을 가진 SC-1600은 최적화된 결함 구조를 보였으며, 친칼륨성과 촉매 활성 간의 최적의 균형을 이루었습니다. SC-1600은 전해질 분해를 조절하고 조밀하고 균일한 SEI 필름을 형성할 수 있었습니다.

실험 결과는 SC-1600@K가 0.5 mA cm의 전류 밀도에서 최대 2000시간 동안 장기 사이클 안정성을 나타냈음을 보여주었습니다.^-2 그리고 0.5 mAh cm2의 용량^-2. 더 높은 전류 밀도(1 mA cm)에서도^-2) 및 용량(1 mAh cm^-2), 1300시간 이상의 안정적인 사이클로 우수한 전기화학적 성능을 유지했습니다. 풀셀 테스트에서 PTCDA 양극과 함께 사용했을 때 1 A/g의 전류 밀도에서 1500 사이클 후에도 78%의 용량 유지율을 유지하여 탁월한 사이클 안정성을 보였습니다.

이 연구의 제목은에 출판되었습니다첨단소재.

그림 1:다양한 탄화 온도에서 제조된 탄소 시료(SC-800, SC-1600, SC-2300)의 미세구조 분석 결과를 제시합니다. X선 회절(XRD), 라만 분광법, X선 광전자 분광법(XPS), 광각 X선 산란(WAXS) 등의 기법을 통해 이들 시료의 결정 구조, 결함 수준, 그리고 산소 및 질소 도핑을 분석했습니다. 그 결과, 탄화 온도가 증가함에 따라 탄소 재료의 결함이 점차 감소하고 결정 구조가 더욱 규칙적으로 변화하는 것을 확인했습니다.

그림 2:다양한 복합 음극에서 칼륨 금속 성장 중 전류 밀도 분포를 유한 요소 시뮬레이션을 통해 분석했습니다. 시뮬레이션 결과, SC-1600@K 복합 전극은 칼륨 증착 중 균일한 전류 분포를 보였으며, 이는 수지상 성장을 효과적으로 억제하는 데 도움이 되었습니다. 또한, 원자간력현미경(AFM)을 사용하여 SEI 층의 영률을 측정한 결과, SC-1600@K 전극의 SEI 층이 더 높은 탄성률을 보였으며, 이는 SEI 층이 더 높은 경도와 수지상 형성 억제 효과를 나타냄을 보여줍니다.

그림 3:대칭형 셀에서 다양한 복합 전극(SC-800@K, SC-1600@K, SC-2300@K)의 전기화학적 성능을 분석하였다. SC-1600@K 전극은 다양한 전류 밀도와 용량에서 우수한 사이클 안정성과 낮은 과전압을 나타냈다. 또한, 전기화학 임피던스 분광법(EIS)과 Sand's time 실험을 통해 SC-1600@K 전극이 수지상 성장 억제 및 SEI 층 안정성 유지에 있어 우수함을 확인하였다.

그림 4:다양한 복합 음극의 SEI 층의 구조와 조성을 극저온 투과 전자 현미경(Cryo-TEM)과 비행시간형 이차 이온 질량 분석법(ToF-SIMS)을 사용하여 분석했습니다. 분석 결과, SC-1600@K 전극은 균일하고 얇으며 무기물이 풍부한 SEI 층을 형성하여 빠른 칼륨 이온 전달 속도와 높은 영률을 보였습니다. SC-800@K 및 SC-2300@K 전극의 SEI 층은 더 두껍고 유기물이 풍부한 특성을 보였습니다.

그림 5:탄소층 결함 구성이 칼륨 이온 증착 및 SEI 형성에 미치는 영향을 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 통해 분석했습니다. 그 결과, 적절한 양의 결함은 칼륨 이온과 탄소층 간의 상호작용을 향상시켜 핵생성 과전압을 감소시키는 반면, 과도한 결함은 과도한 전해질 분해를 초래할 수 있음을 확인했습니다.

그림 6:SC-1600@K 전극을 사용하여 조립된 완전 전지(PTCDA//SC-1600@K)의 전기화학적 성능을 제시합니다. 이 전지는 다양한 전류 밀도에서 우수한 속도 성능과 장기 사이클 안정성을 보였으며, 이는 SC-1600@K 전극이 실제 배터리 응용 분야에서 잠재력을 가지고 있음을 보여줍니다.

결론적으로,연구팀은 국부적으로 정렬된 구조를 갖는 탄소 소재(SC-1600)를 성공적으로 설계하고 제조하여 나트륨/칼륨 금속 전지 음극용 인공 계면층으로 활용했습니다. 연구팀은 소재의 결함 함량을 정밀하게 제어함으로써 친칼륨성과 촉매 활성 간의 최적의 균형을 달성하여 칼륨 이온의 균일한 증착을 크게 개선하고 안정적인 SEI 층 형성을 촉진했습니다. 탄산염 전해질 시스템에서 SC-1600 기반 칼륨 대칭형 셀에서 SC-1600@K는 2,000시간을 초과하는 사이클 수명으로 탁월한 사이클 안정성을 보였습니다. 특히, SC-1600@K 음극과 PTCDA 양극을 조합한 완전 셀은 1 A/g의 높은 전류 밀도에서 1,500 사이클 후에도 78%의 용량 유지율을 유지했습니다. 본 연구는 계면층 결함을 제어하여 SEI 구조와 칼륨 이온 흡착을 최적화하기 위한 모델 시스템을 확립했을 뿐만 아니라, 칼륨 금속 전지에서 보호 계면층의 합리적 설계를 위한 중요한 이론적 지침과 기술적 경로를 제공했습니다.