东北师范大学团队工作，奇材馆整理

【文章概述】

钾离子电池（PIBs）由于丰富的钾资源和与锂/钠离子电池相似的性能而被广泛关注。尽管已经快速发展以生产优质的阴极材料，但PIB的主要问题之一是缺少合适的阳极材料。科学家已经研究了许多用于PIB的高容量阳极材料，目前碳仍然是低成本和提高电子电导率的主要候选材料。虽然硬碳有低密度和扩大的层间间距而表现出比石墨更好的电化学性能，但它存在比容量低，循环稳定性差和速率性能差的缺点。由于缺乏在硬碳的无定形结构的长程有序性会影响导电性，从而影响电极内的电子传输。为了提高电化学性能，掺杂杂原子被认为是一种有前途的策略，因为杂原子会在碳骨架中引入缺​​陷，从而提供更多的活性位点。

【成果简介】

东北师范大学李鹿副教授与王春刚教授等共同设计合成了由数量众多的超细中空碳纳米颗粒组成的碳纳米团簇（HNPCNCSs）来将钾束缚其中并实现金属钾的密集存储。通过K⁺结合到碳空间中，凭借独特的纳米结构，可被更好地吸附并稳定地存储在超细空心碳纳米颗粒中，以实现K金属簇的紧密堆积。这种超细的纳米结构将打破人们对碳材料低容量的理解，并为在电化学储能领域广泛应用的高性能碳材料的建造打开一扇新门，这对下一代钾的碳电极材料具有战略指导意义。该材料符合奇材馆理念，后续开发值得期待!

【图文导图】

图1 HNPCNCSs合成示意图

图2（A-C、E）PAA-NH₄纳米球、MnO(OH)₂/PAA-NH₄纳米球、石榴状MnO@C-800纳米球和HNPCNCSs-800的TEM图

（D，G，H）石榴状MnO@C-800 纳米球、HNPCNCS-800的SEM图。

图3（A）HNPCNCS在不同温度下的XRD谱图。

（B） HNPCNCS在不同温度下的拉曼光谱。

（C-D） MnO@C-800和HNPCNCS -800的N2吸附解吸等温线及孔径分布。

图4 HNPCNCSs的钾离子半电池性能。

（A）HNPCNCSs-800的CV曲线。

（B）在0.01-3.0V电压范围内，0.05Ag^-1的HNPCNCSs-800的放电/充电曲线。

（C）从0.05到10 Ag^-1的速率能力。

（D） HNPCNCSs-700、HNPCNCSs-800和HNPCNCSs-900在0.5Ag^-1的循环性能。

（E） HNPCNCSs-800在1和2Ag^-1下的长循环性能。

（F）HNPCNCSs-800在5Ag^-1的超长循环性能。

图5（A）HNPCNCSs -800从0.1到20mVs^-1的CV曲线

（B）Log(i)-log(v)图。

（C）在2mV s^-1的电容过程的贡献。

（D）HNPCNCSs -800电极在不同扫描速率下电容过程的贡献比例。

图6 钾离子电池用HNPCNCSs -800电极的原位表征。

（A，G）HNPCNCSs -800样品放电0.01 V及充电3V后的TEM图像。

（B, H） HNPCNCS-800的HRTEM图像。

单个HNPCNCSs-800 C在放电至0.01 V和充电至3 V后的元素映射图像及相应的元素映射。

HNPCNCSs-800和HCNSs的储钾原理图。

【奇材馆点评】

将K ⁺结合到碳空间中，以实现K金属簇的紧密堆积，这是个新奇的想法。在实验验证中证明在PIBs中，其具有高的比容量（在0.5 A/g下循环200次后容量为269.8 mAh/g），优异的倍率性能（在1A/g和2A/g下循环时1000次后容量分别为220.1 mAh/g和188.4 mAh/g）和超长循环寿命（在5A/g下循环5000次后容量可保持为150.4 mAh/g）。更为重要的是，HNPCNCSs-800//普鲁士蓝钾离子全电池在0.1A/g和0.5A/g下循环200次后容量分别可达到317.7 mAh/g和187.7 mAh/g。这种超细的纳米结构将为在电化学储能领域的应用打开一扇新门，期待后续的研究。

 【论文信息】