فريق USTC 《AM》 | CIQTEK SEM يساعد في التحليل المجهري للمورفولوجيا لأنود معدن البوتاسيوم

استفاد فريق البروفيسور يانيو في USTC ال سيكتيك ستعليبهـإلكترونممجهر SEM3200 لدراسة مورفولوجيا ما بعد الدورة. طوّر الفريق كربونًا غير متبلور ذي عيوب قابلة للتحكم، كمادة مرشحة لطبقة واجهة اصطناعية توازن بين قابلية البوتاسيوم والنشاط التحفيزي.

حضّر فريق البحث سلسلة من مواد الكربون بدرجات متفاوتة من العيوب (يُشار إليها بـ SC-X، حيث يمثل X درجة حرارة الكربنة) عن طريق تنظيم درجة حرارة الكربنة. وجدت الدراسة أن مادة SC-800 ذات العيوب المفرطة تُسبب تحللًا كبيرًا للإلكتروليت، مما ينتج عنه طبقة SEI غير متساوية وتقصير دورة الحياة. أما مادة SC-2300، ذات أقل العيوب، فقد أظهرت تقاربًا غير كافٍ للبوتاسيوم، وحفزت نموًا شجريًا للبوتاسيوم بسهولة. أما مادة SC-1600، ذات طبقة كربون مرتبة موضعيًا، فقد أظهرت بنية عيوب مُحسّنة، محققةً أفضل توازن بين محبة البوتاسيوم والنشاط التحفيزي. ويمكنها تنظيم تحلل الإلكتروليت وتكوين طبقة SEI كثيفة وموحدة.

أظهرت النتائج التجريبية أن SC-1600@K أظهر استقرارًا طويل الأمد للدورة لمدة تصل إلى 2000 ساعة تحت كثافة تيار تبلغ 0.5 مللي أمبير سم^-2 وسعة 0.5 مللي أمبير سم^-2. حتى تحت كثافة تيار أعلى (1 مللي أمبير سم^-2) والسعة (1 مللي أمبير سم^-2حافظت على أداء كهروكيميائي ممتاز مع دورات مستقرة تجاوزت 1300 ساعة. في اختبار الخلية الكاملة، عند إقرانها بقطب موجب PTCDA، حافظت على 78% من قدرتها على الاحتفاظ بالسعة بعد 1500 دورة عند كثافة تيار 1 أمبير/غرام، مما يدل على ثبات ممتاز للدورة.

هذا البحث بعنوانتم نشره فيالمواد المتقدمة.

الشكل 1:تُعرض نتائج تحليل البنية الدقيقة لعينات الكربون (SC-800، SC-1600، وSC-2300) المُحضرة عند درجات حرارة كربنة مختلفة. باستخدام تقنيات مثل حيود الأشعة السينية (XRD)، وطيف رامان، وطيف الأشعة السينية الضوئية الإلكترونية (XPS)، وتشتت الأشعة السينية واسع الزاوية (WAXS)، تم تحليل البنية البلورية، ومستوى العيوب، ونسبة التطعيم بالأكسجين والنيتروجين في هذه العينات. أظهرت النتائج أنه مع ارتفاع درجة حرارة الكربنة، انخفضت العيوب في مواد الكربون تدريجيًا، وأصبح الهيكل البلوري أكثر انتظامًا.

الشكل 2:تم تحليل توزيع كثافة التيار خلال نمو معدن البوتاسيوم على أقطاب كهربائية سالبة مركبة مختلفة باستخدام محاكاة العناصر المحدودة. أظهرت نتائج المحاكاة أن القطب الكهربائي المركب SC-1600@K أظهر توزيعًا منتظمًا للتيار أثناء ترسب البوتاسيوم، مما ساعد على تثبيط نمو الشجيرات بفعالية. بالإضافة إلى ذلك، تم قياس معامل يونغ لطبقة SEI باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM)، وأظهرت النتائج أن طبقة SEI على القطب الكهربائي SC-1600@K تتمتع بمعامل مرونة أعلى، مما يدل على صلابتها العالية وقدرتها على تثبيط تكوين الشجيرات.

الشكل 3:يُعرض الأداء الكهروكيميائي لأقطاب كهربائية مركبة مختلفة (SC-800@K، وSC-1600@K، وSC-2300@K) في خلايا متماثلة. أظهر قطب SC-1600@K استقرارًا ممتازًا للدورة وانخفاضًا في الجهد الزائد عند كثافات وسعات تيار مختلفة. علاوة على ذلك، أكدت مطيافية المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) واختبار ساند الزمني مزايا قطب SC-1600@K في تثبيط نمو الخلايا الشجيرية والحفاظ على استقرار طبقة SEI.

الشكل 4:تم تحليل بنية وتركيب طبقة SEI على أقطاب سالبة مركبة مختلفة باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ المبرد (Cryo-TEM) ومطياف كتلة الأيونات الثانوية لزمن الطيران (ToF-SIMS). أظهرت النتائج أن قطب SC-1600@K يتميز بطبقة SEI موحدة ورقيقة وغنية بالمواد غير العضوية، مما يُسهّل حركية نقل أيونات البوتاسيوم السريعة ومعامل يونغ العالي. أظهرت طبقات SEI على قطبي SC-800@K وSC-2300@K خصائص أكثر سمكًا وغنية بالمواد العضوية.

الشكل 5:تم استكشاف آثار تكوين العيوب في طبقة الكربون على ترسب أيونات البوتاسيوم وتكوين SEI باستخدام حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT). أظهرت النتائج أن وجود كمية مناسبة من العيوب يمكن أن يعزز التفاعل بين أيونات البوتاسيوم وطبقة الكربون، مما يقلل من الجهد الزائد للتنوي، بينما قد تؤدي العيوب المفرطة إلى تحلل مفرط للإلكتروليت.

الشكل 6:يُعرض الأداء الكهروكيميائي لخلية كاملة (PTCDA//SC-1600@K) مُجمّعة باستخدام قطب SC-1600@K. أظهرت هذه الخلية أداءً ممتازًا في معدل الشحن واستقرارًا طويل الأمد للدورة عند كثافات تيار مختلفة، مما يُظهر إمكانات قطب SC-1600@K في تطبيقات البطاريات العملية.

ختاماً،نجح فريق البحث في تصميم وإعداد مادة كربونية (SC-1600) ذات بنية مرتبة محليًا، تعمل كطبقة واجهة اصطناعية للأقطاب السالبة لبطاريات معدن الصوديوم/البوتاسيوم. ومن خلال التحكم الدقيق في محتوى العيوب في المادة، حقق الفريق التوازن الأمثل بين محبة البوتاسيوم والنشاط التحفيزي، مما أدى إلى تحسين كبير في الترسيب المنتظم لأيونات البوتاسيوم وتعزيز تكوين طبقة SEI مستقرة. في خلية متناظرة البوتاسيوم مبنية على SC-1600 في نظام إلكتروليت كربونات، أظهرت SC-1600@K استقرارًا ممتازًا في الدورة بعمر دورة يتجاوز 2000 ساعة. والجدير بالذكر أن خلية كاملة مُجمّعة مع القطب السالب SC-1600@K والقطب الموجب PTCDA حافظت على احتفاظ بالسعة بنسبة 78% بعد 1500 دورة عند كثافة تيار عالية تبلغ 1 أمبير/غرام. لم يؤسس هذا البحث نظامًا نموذجيًا لتحسين بنية SEI وامتصاص أيونات البوتاسيوم من خلال التحكم في عيوب الطبقة الواجهة فحسب، بل قدم أيضًا إرشادات نظرية مهمة ومسارًا تكنولوجيًا للتصميم العقلاني للطبقات الواجهة الواقية في بطاريات المعادن البوتاسيوم.