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Na和K是资源丰富且分布广泛的元素,应用于碱金属离子电池可以确保大规模储能系统市场的可持续、低成本和稳定增长。但是,Na+和K+的半径较大,导致本身嵌/脱动力学过程较慢,且电极材料在碱金属离子反复嵌/脱过程中会承受较大的机械应力,造成体积变化和结构破坏问题更为严重,容量迅速降低。目前,研究人员开发了很多材料用作钠离子电池(SIBs)和钾离子电池(KIBs)的阳极,其中由无序石墨微晶体组成的硬碳材料表现出优异的电化学性能。例如,其较高的比容量,较低的工作电位和出色的循环性能引起了研究人员的高度关注。另一方面,自然界中的生物质具有多种来源,可以提供丰富放的前驱体材料。从产业经济学的角度出发,生物质衍生的硬碳材料具有巨大的发展潜力。
为了获得更高的比容量,研究人员经常使用更复杂的制备工艺对材料进行改进,这将增加工业生产的难度和成本。同时,研究发现SIBs和KIBs中硬碳材料的充/放电曲线相似,但关于储能机理的讨论相对较少,给材料改性研究带来了太多不确定性。
近日,厦门大学孙世刚院士和昆明理工大学张英杰教授、李雪副教授以自然界的荷花玉兰树叶为前驱体,结合简单的热解和除杂工艺,获得了生物质衍生的硬碳材料(CMGL)。用作SIBs和KIBs阳极时展现出优异的电化学性能,可逆比容量分别为315和263.5 mAh/g,即使在2000 mA/g的大倍率下循环2000次,也具有良好的容量保持率。此外,采用不同的电化学分析方法和微观结构表征技术,进一步阐明了CMGL的钠/钾储存机理。实验结果表明,高电位斜坡区域对应于碱金属离子在材料表面的吸附特征,而低电位准平台区域则属于碱金属离子在石墨微晶层间的嵌入行为,即“吸附-嵌入”模型。论文以“Elucidating electrochemical intercalation mechanisms of biomass-derived hard carbon in sodium-/potassium-ion batteries”为题发表在Carbon Energy上。
04 图文解析
(a) CMGL–Na电极和 (b) CMGL–K电极的循环性能. (c) 倍率性能和 (d) 长循环性能的对比. 放电过程中CMGL–K电极的 (e) 原位XRD和 (f) 原位Raman测试. (g) CMGL–Na电极在不同截止电压下测试的Na 1s XPS谱.
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论文标题:
Elucidating electrochemical intercalation mechanisms of biomass-derived hard carbon in sodium-/potassium-ion batteries
论文网址:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.111
DOI:10.1002/cey2.111
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