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近几十年,具有优异循环稳定性和较高能量密度的锂离子电池广泛应用于便携式电子设备和电动汽车等领域。但锂资源的匮乏和高成本限制了锂离子电池的大规模储能应用。钾离子电池(PIBs)有着与锂离子电池相似的工作机制,钾离子(−2.93 V vs. SHE)与锂离子氧化还原电位相近,但钾资源低廉丰富,钾离子在有机溶剂中表现出更高的传输速率和较低的脱溶能量,使钾离子电池和钾离子混合电容器(PIHCs)等钾离子储能系统受到广泛关注。炭材料因其高的电子电导率、优异的化学稳定性和环境友好性,是PIBs最有潜力的负极材料之一。为缓解半径较大的钾离子引起的动力学缓慢和体积膨胀的问题,研究人员采取包括构建多孔结构、调控石墨层间距、杂原子掺杂及缺陷调控等方式提高炭负极的可逆容量和循环稳定性。
中国海洋大学王焕磊教授和时婧副教授,在《新型炭材料》发表封面文章“Salt-assisted in-situ formation of N-doped porous carbons for boosting K+ storage capacity and cycling stability”,将细菌纤维素前驱体浸泡在作为造孔剂和掺杂剂的硝酸镁溶液中,经炭化和酸洗处理后,制备出细菌纤维素基氮掺杂炭材料(NBCC)。该材料具有相互连接的多孔网络结构、均匀的氮元素分布以及高比表面积等特点,在钾离子体系中表现出优异的电化学性能。
该工作的主要创新结果包括以下3个方面:
1.以硝酸镁作为造孔剂和掺杂剂构筑均匀氮掺杂的相互连接的多孔网络结构可以起到缓解体积变化、缩短扩散路径及增加活性位点等作用。
2.制备过程简便,可通过控制硝酸镁浓度调控炭材料的孔结构和氮掺杂量。
3.制备的炭材料作为负极应用于钾离子电池和钾离子混合电容器中表现出优异的倍率和循环性能,有望促进绿色、大规模储能设备的发展。
图1 (a) NBCC的制备过程示意图;(b) BCC的SEM照片;(c) NBCC的SEM照片;(d-f) NBCC的TEM照片;(g) NBCC的STEM照片和对应的C、N、O元素能谱分布图。
图2 BCC和NBCC的(a) XRD谱图,(b) 拉曼光谱图,(c) 氮气吸附-脱附曲线和对应的孔径分布,以及(d-f) C1s、N1s、O1s的高分辨率XPS光谱图。
图3 BCC和NBCC作为PIBs负极的电化学性能。(a) BCC和NBCC在扫描速率为0.1 mV s-1条件下的CV曲线;(b) NBCC在0.05 A g-1条件下的充电-放电曲线;(c) BCC和NBCC的速率性能;(d) NBCC与文献报道的炭基电极的倍率性能对比;(e) BCC和NBCC在2 A g-1条件下的长循环性能;(f) BCC和NBCC在不同循环圈数的Nyquist图;(g) NBCC在不同扫描速率下的CV曲线以及log(i)和log(v)的拟合曲线; (h) NBCC在不同扫描速率下电容和扩散控制过程的贡献比;(i) BCC和NBCC在第二个循环周期中由GITT曲线计算的扩散系数。
图4 (a) NBCC//NPC PIHC工作原理示意图;(b) NBCC//NPC PIHC在扫描速率为5-100 mV s-1条件下的CV曲线;(c)NBCC//NPC PIHC与其它报道的钾离子混合电容器的能量密度-功率密度对比图。
文章信息 New Carbon Materials
ZHANG Wen-zhe, WANG Huan-lei, LIAO Ran-xia, WEI Wen-rui, LI Xue-chun, LIUShuai, HUANG Ming-hua, SHI Zhi-cheng, SHI Jing. Salt-assisted in-situ formation of N-doped porous carbon for boosting K+ storage capacity and cycling stability. New Carbon Materials, 2021, 36(1): 167-178.
原文链接:http://xxtcl.sxicc.ac.cn/cn/article/doi/10.1016/S1872-5805(21)60011-2
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通讯作者简介:
王焕磊,中国海洋大学材料科学与工程学院教授,博士生导师。多年来课题组研究领域包括炭基纳米材料的制备及其能量存储转化领域(超级电容器、锂/钠/钾离子电池、混合离子电容器、锌空电池)的研究工作。已在国际重要学术期刊发表SCI论文100余篇,申报多项中国及美国发明专利。
时婧,中国海洋大学材料科学与工程学院副教授。多年来从事金属表面改性涂层和新能源材料等的研究工作。在国际重要学术期刊发表多篇SCI论文,申报多项中国发明专利。
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