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Nano-Micro Lett. (2021)13:21
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00534-x
2. 该复合材料中钴纳米颗粒和含氮基团(包括Co-N键)的存在,不仅有效促进了石墨化碳对钾离子的吸附,而且降低了钾离子的扩散能垒。
3. 良好的扩散动力学和电容吸附行为协同提高了复合材料的储钾性能。
Co-NC是由钴纳米颗粒和氮掺杂石墨化碳组装而成的球状复合材料(图1a-1b)。其中,钴纳米颗粒被碳层均匀包覆,呈现为核壳结构(图1c-1d)。XRD谱图(图1e)和Raman光谱(图1f)能够证明复合材料中钴金属单质的存在,同时Raman光谱中的D衍射峰和G衍射峰也表明了复合材料中碳的存在。BET测试结果(图1g)表明Co-NC复合材料具有较大的比表面积和多孔结构。C K-edge的XANES谱图(图1h)和N 1s的XPS谱图(图1i)表明Co-NC复合材料具有丰富的氮元素掺杂。此外,Co 2p₃/₂的XPS谱图说明Co是以钴金属单质和Co-N键两种形式存在于复合材料。
图2a和图2b分别代表Co-NC电极的循环伏安曲线(CV)和恒电流充放电曲线,都是典型的碳基负极材料的储钾行为,说明充放电过程中钴纳米颗粒并不会与钾离子发生反应,发挥储钾主体作用的是碳材料。CV曲线中首圈放电过程出现在1.55 V和0.55 V左右的两个不可逆还原峰主要归因于电解液的分解和固态电解质界面膜的形成。从恒电流充放电曲线中可以看出,Co-NC电极在100 mA/g电流密度下,首圈充放电容量分别为276.4和1059.8 mAh/g,即首圈库伦效率为26.1%。Co-NC电极较低的首圈库伦效率主要是由于自身较大的比表面积导致电极和电解液之间有效接触面积的增大,进而导致首圈放电形成固态电解质界面膜的过程中会发生更多的不可逆副反应。图2c表明Co-NC电极在50和100 mA/g小电流密度下的分别循环100圈和300圈之后的对应可逆储钾容量为305 和 208.6 mAh/g。图2d,图2e和图2f的测试结果证明Co-NC电极的循环性能和倍率性能都要优于NC电极,表明Co-NC电极中钴纳米颗粒的存在对于提高碳材料的储钾性能起着至关重要的作用。图2g 则进一步验证了Co-NC电极的长循环稳定性,它在500 和1000 mA/g大电流密度下循环1000圈之后,可逆容量分别能够保持在115.7和78.5 mAh/g。
III Co-NC材料的储钾动力学分析
理论计算的结果表明,相比于普通的氮掺杂碳材料(图4a),有钴纳米颗粒存在的条件下,钾离子在两相界面之间(图4b)和碳层之间(图4c)的吸附能更高一些,证明钴纳米颗粒的存在能够增强材料对钾离子的吸附行为。此外,钾离子在两相界面之间(图4d)的扩散行为具有最低的扩散能垒,表明Co-NC复合材料具有良好的扩散动力学行为。
图4. (a) 钾离子在氮掺杂石墨碳材料碳层间的吸附能;(b) 钾离子在Co-NC复合材料两相界面间的吸附能;(c) 钾离子在Co-NC复合材料碳层间的吸附能;(d) 钾离子在Co-NC复合材料两相界面间的扩散能垒;(e) 钾离子在氮掺杂石墨碳材料碳层间的扩散能垒;(f) 钾离子在Co-NC复合材料碳层间的扩散能垒。
吴贤文
本文通讯作者
吉首大学 教授
1. 新能源材料(水系或非水系锂/钠/钾/锌离子电池、锌空电池)的设计、制备、结构表征及应用;2. 湿法冶金及固废资源回收利用。
入选湖南省“湖湘青年英才支持计划”和湖南省普通高校青年骨干教师。现担任“锰锌钒产业技术”湖南省2011协同创新中心副主任、Frontiers in Chemistry客座副主编、湖南省“三区”科技人才、湘西州科技特派员、国家自然科学基金通讯评审专家。主要从事新能源材料与电池电化学方面的研究。在J. Mater. Chem. A、J. Power Sources、化学进展等学术刊物上发表SCI/EI论文60余篇。主持国家自然科学基金3项、湖南省创新平台与人才计划项目1项、湖南省自然科学基金青年基金项目1项、湖南省教育厅重点项目和湖南省教育厅优秀青年项目各1项、湖南省普通高校教学改革项目1项,获湖南省教学成果二等奖1项。承担本科生《无机化工工艺学》、《新能源材料应用》及研究生《功能材料化学》等课程的教学工作,出版《储能材料——基础与应用》、《锰产业技术及应用》、《锌产业技术及应用》3本专著。
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周江
本文通讯作者
中南大学 教授
1. 水系锌离子电池相关关键材料(正负极、电解质)的研发及其全电池器件研究;2. 钠离子电池正负极材料的研发及其性能优化;3. 钾离子电池正负极材料的研发及其机理研究。
Nano-Micro Letters、InfoMat、Journal of Advanced Ceramics、物理化学学报等期刊编委或青年编委。曾先后在新加坡南洋理工大学、美国麻省理工学院从事科研工作。以一作或通讯在Nat. Sci. Rev., Sci. Bull., 科学通报, Energy Environ. Sci., Acta Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, ACS Energy Lett.等期刊发表论文70余篇,被引5000余次,H-index指数41。一篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”,曾入选ESI高被引论文29篇,热点论文14篇。入选 “湖湘青年英才”、“湖湘青年科技创新人才”,主持国家自然科学基金面上项目、青年项目等,以子课题负责人参与重点项目一项。
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