USTCチーム《AM》 | CIQTEK SEMが金属カリウム陽極の微細組織分析を支援

USTCのYan Yu教授のチームが活用 その CIQTEK S缶詰EレクトロンM顕微鏡 SEM3200 サイクリング後の形態を研究するため、親カリウム性と触媒活性を両立させる人工界面層の候補材料として、制御可能な欠陥を有するアモルファスカーボンを開発しました。

研究チームは、炭化温度を制御することで、欠陥量の異なる一連の炭素材料（SC-Xと呼称、Xは炭化温度）を作製しました。その結果、欠陥が過剰なSC-800は電解液の分解が著しく、SEI膜が不均一になり、サイクル寿命が短くなることが分かりました。欠陥が最も少ないSC-2300はカリウムとの親和性が不十分で、カリウムの樹枝状成長を誘導しやすいことがわかりました。局所的に秩序化された炭素層を有するSC-1600は、最適化された欠陥構造を示し、親カリウム性と触媒活性の最適なバランスを実現しました。SC-1600は電解液の分解を制御し、緻密で均一なSEI膜を形成できました。

実験結果では、SC-1600@Kは0.5mA cmの電流密度で最大2000時間の長期サイクル安定性を示したことが実証された。^-2 容量は0.5mAh cm^-2より高い電流密度（1 mA cm^-2）および容量（1 mAh cm^-2）は、1300時間を超える安定したサイクル寿命を維持し、優れた電気化学特性を維持しました。PTCDA正極と組み合わせたフルセル試験では、電流密度1A/gで1500サイクル後も78%の容量維持率を維持し、卓越したサイクル安定性を示しました。

この研究は、「デンドライトフリーナトリウム/カリウム金属電池における人工界面層の親カリウム性と触媒活性のバランス」に掲載されました先端材料。

図1:異なる炭化温度で作製した炭素試料（SC-800、SC-1600、SC-2300）の微細構造分析結果を示す。X線回折（XRD）、ラマン分光法、X線光電子分光法（XPS）、広角X線散乱（WAXS）などの手法を用いて、これらの試料の結晶構造、欠陥レベル、酸素および窒素ドーピングを分析した。その結果、炭化温度の上昇に伴い、炭素材料中の欠陥が徐々に減少し、結晶構造がより整然としていることが示された。

図2:有限要素シミュレーションを用いて、様々な複合負極におけるカリウム金属成長時の電流密度分布を解析しました。シミュレーション結果から、SC-1600@K複合電極はカリウム析出時に均一な電流分布を示し、デンドライト成長を効果的に抑制することが示されました。さらに、原子間力顕微鏡（AFM）を用いてSEI層のヤング率を測定したところ、SC-1600@K電極上のSEI層はより高いヤング率を示し、より強固な硬度とデンドライト形成抑制効果を示しました。

図3:対称セルにおける異なる複合電極（SC-800@K、SC-1600@K、SC-2300@K）の電気化学特性を示す。SC-1600@K電極は、様々な電流密度および容量において、優れたサイクル安定性と低い過電圧を示した。さらに、電気化学インピーダンス分光法（EIS）およびサンドタイム試験により、SC-1600@K電極がデンドライト成長を抑制し、SEI層の安定性を維持するという利点がさらに確認された。

図4:低温透過型電子顕微鏡（Cryo-TEM）と飛行時間型二次イオン質量分析（ToF-SIMS）を用いて、異なる複合負極上のSEI層の構造と組成を分析した。その結果、SC-1600@K電極は均一で薄く、無機物に富むSEI層を有し、カリウムイオンの高速輸送速度と高いヤング率を実現することが示された。SC-800@KおよびSC-2300@K電極上のSEI層は、より厚く、有機物に富む特性を示した。

図5:炭素層中の欠陥配置がカリウムイオンの析出およびSEI形成に及ぼす影響を、密度汎関数理論（DFT）計算を用いて調査した。その結果、適切な量の欠陥はカリウムイオンと炭素層との相互作用を強化し、核形成過電位を低減する一方、過剰な欠陥は過剰な電解質分解につながることが示された。

図6:SC-1600@K電極を用いて組み立てたセル（PTCDA//SC-1600@K）の電気化学特性を示します。このセルは、様々な電流密度において優れたレート特性と長期サイクル安定性を示し、SC-1600@K電極が実用的な電池用途において高い潜在能力を持つことを実証しました。

結論は、研究チームは、ナトリウム/カリウム金属電池の負極の人工界面層として機能する、局所的に秩序立った構造を持つ炭素材料（SC-1600）の設計と調製に成功しました。材料の欠陥含有量を正確に制御することで、研究チームは親カリウム性と触媒活性の最適なバランスを実現し、カリウムイオンの均一な堆積を大幅に改善し、安定したSEI層の形成を促進しました。炭酸塩電解質システムのSC-1600に基づくカリウム対称セルでは、SC-1600@Kは2000時間を超えるサイクル寿命で優れたサイクル安定性を示しました。特に、SC-1600@K負極とPTCDA正極で組み立てたフルセルは、1A/gの高電流密度で1500サイクル後も78%の容量保持率を維持しました。この研究は、界面層の欠陥を制御することでSEI構造とカリウムイオン吸着を最適化するためのモデルシステムを確立しただけでなく、カリウム金属電池の保護界面層の合理的な設計のための重要な理論的指針と技術的道筋も提供しました。