北大Adv. Energy. Mater.:硫氧共掺杂多孔硬碳微球助力高性能钾离子电池
【引言】
当今新型电池技术的迅速发展催生了锂元素的大量开采利用。但是锂源在地壳中的含量不高,限制了二次电池的进一步发展。与锂相比,钠源和钾源丰度更高。并且,K/K+还原对的电势比Na/Na+的低,使得钾离子电池拥有比锂离子电池更高的放电电压和能量密度。
钾离子电池与锂离子电池有着相似的“摇椅式”充放电原理。钾离子电池的主要挑战是,钾离子的离子半径比锂离子的大,使得钾离子在电极材料中的嵌入变得困难,从而造成了脱钾和嵌钾过程中的低容量、低倍率性能和短循环寿命。现今,无定型硬碳材料的密度较低,具有较大层状插层,能够有效缓解钾离子嵌入带来的体积膨胀。
【成果简介】
近日,来自北京大学的王前特聘研究员、郭少军研究员和杨槐教授(共同通讯作者)在著名期刊Advance Energy Materials上发表题为” Sulfur/Oxygen Codoped Porous Hard Carbon Microsphere for High-Performance Potassium-Ion Batteries”的文章。该文章报道了一种通过热解液晶/环氧树脂单体/硫醇固化剂体系形成的聚合物微球,并运用简易的碳化-刻蚀策略来制备硫氧共掺杂多孔碳微球用于高性能钾离子电池负极。无定型的多孔碳微球有着合适的插层间距(0.393nm),较大的比表面积(983.2m2 g-1),以及分层的微孔/介孔结构。该微球在50mA g-1电流密度下有226.6mAh g-1的可逆比容量(石墨的理论比容量为279mAh g-1),1A g-1电流密度下循环2000次保持108.4mAh g-1没有衰减。
【图文导读】
示意图一:多孔碳微球的制备示意图。
a) 聚合物糖浆的均匀混合物;
b) 热固化过程;
c)/d) 移除液晶之后的多孔微球;
e) 多孔微球的化学结构;
f) 表面光滑的碳微球;
g) 硫/氧共掺杂的碳微球示意图;
h) 多孔碳微球;
i) 嵌钾的示意图。
图一:SEM形貌图。
a) 多孔微球;
b) 碳微球;
c)/d) 多孔碳微球。
图二:表征。
a) 氮气吸附曲线;
b) XRD图;
c) 拉曼光谱;
d) TEM图;
e) 高分辨TEM图;
f) EDS图;
g) XPS图。
图三:电化学性能。
a) 充放电曲线;
b) 50mA g-1电流密度下的循环图。
c) 倍率性能图;
d) 不同电流密度下的循环性能图;
e) 长循环图。
图四:嵌钾和脱钾过程中的表征。
a) 外原位XRD图;
b) 完全嵌钾时的TEM图;
c) 不同嵌钾状态的拉曼光谱。
图五:结构阐释图。
a) 多孔碳微球;钾吸附在b)S1,c)S2,d)S3位置的示意图。
【小结】
合成了S/O共掺杂硬碳微球材料用于新型钾离子电池,拥有较高的比容量、良好的倍率性能、优异的循环稳定性。在50mA g-1电流密度下拥有226.6mAh g-1的高比容量,1A g-1电流密度下循环超过2000次。无定型碳结构的多孔碳微球有较大的插层间距(0.393nm),大比表面积(983.2m2 g-1)以及丰富的结构缺陷,从而形成了分层多孔框架和S/O杂原子共掺杂。通过DFT计算,这些特性不仅利于钾离子吸附于多孔碳微球上,而且能减缓嵌钾脱钾过程中的结构形变。
文献链接: Sulfur/Oxygen Codoped Porous Hard Carbon Microspheres for High-Performance Potassium-Ion Batteries (Adv. Energy. Mater.: 10.1002/aenm.201800171)
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