吴宇平和付丽君AEM:一种可规模生产的低成本硫氮双掺杂硬炭作为高性能钾离子电池的负极材料

【前言】

在钾离子电池负极材料中，炭具有成本低、环境友好等优点，具有广阔的应用前景。但由于其存储容量相对较低，且动力学较慢，阻碍了其实际应用。本文以低成本的硫和聚丙烯腈为前驱体，通过简单的热解工艺制备了一种有望大规模生产的硫氮双掺杂硬炭,它具有分层结构、丰富的缺陷和官能团，该材料具有高可逆钾存储容量和优异的倍率性能。特别是, 0.1 A g^-1下500圈循环容量为213.7 mA h g^-1，3 A g^-11200圈循环容量保留在144.9 mA h g^-1,高的可逆容量展示了在低、高速率下都具有非凡的循环稳定性。结构和动力学研究表明，双掺杂增强了钾的扩散和存储，有利于形成分层结构、引入缺陷和生成更多的石墨和吡啶N位点，这种简便、可扩展的热解策略可以有效地实现炭的分层结构设计和杂原子掺杂，从而获得优异的储钾性能。

【成果简介】

最近，南京工业大学吴宇平教授和付丽君教授领导的科研团队在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表了题为A Large Scalable and Low-Cost Sulfur/Nitrogen Dual-Doped Hard Carbon as the Negative Electrode Material for High-Performance Potassium-Ion Batteries的文章。在这项工作中，报道了一种以低成本聚丙烯腈和硫为前驱体，采用简易热解法制备的硫氮双掺杂硬炭材料(SNHC)。低成本的前驱体和简便的合成将有利于SNHC的大规模生产。得到的SNHC具有丰富的缺陷位点、官能团和分级的微/中孔结构。在电流密度为0.1 A g^-1的情况下，它的钾化容量高达293.8 mA h g^-1，并且具有优异的倍率性能。此外，SNHC对于在低速率和高速率下循环的KIBs是高度稳定的，在3 A g^-1的高电流密度下，1200圈循环后钾化容量仍在144.9 mA h g ^-1以上，并且对储钾的动力学进行了研究。

【图文导读】

图1.所得硬炭材料的制备及形貌表征。

a) SNHC合成过程示意图；b) CPAN和c,d) SNHC的SEM图像; e) SNHC透射电镜图像; f) SNHC和g) CPAN的HRTEM图像。

图2. SNHC和CPAN的结构表征。

CPAN和SNHC的a) XRD光谱、b)拉曼光谱、c)氮气吸脱附曲线、d)孔径分布图、e)N 1s的XPS光谱，f)SNHC的S 2p的XPS光谱。

图3：SNHC和CPAN的钾储存性能表征

a)SNHC在 0.1 A g^-1下的充放电曲线和b)对应的dQ/dV曲线；c) SNHC和CPAN的0.1 A g^-1下的循环性能图；d)SNHC与文献报道的材料的倍率性能的对比图；e) SNHC和CPAN在不同速率下的性能比较；f) SNHC在3 A g^-1下的循环性能图。

图4. SNHC和CPAN在钾离子电池中的动力学分析

a)和d) SNHC和CPAN在0.2~10mV s^-1不同扫描速率的CV曲线；b)和e) SNHC和CPAN在0.5 mV s^-1时电荷存储的电容贡献；c)和f)两种材料在不同扫描速率下的电容和扩散的贡献率；g)放电/充电过程的GITT曲线(插图展示了相应的扩散系数K)；f) SNHC的KIBs电容性和块体储能示意图。

【结论】

综上所述，以低成本的硫和聚丙烯腈为前驱物，采用简便的热解工艺制备了SNHC，且易于规模化。在S/N双掺杂后，SNHC呈现出丰富的缺陷和活性位点的分层结构，有利于钾的扩散，使SNHC电极具有优异的储钾性能，包括高容量和优异的倍率性能。动力学研究表明，与CPAN相比，电容性容量和法拉第电荷存储都对SNHC和CPAN的容量有贡献，SNHC具有更高的电容性贡献和更大的钾扩散系数。研究表明，采用分层结构设计和热解法掺杂杂原子是提高钾离子电池和下一代储能系统炭基负极材料的一种高效、大规模的可扩展策略。

文献链接

A Large Scalable and Low-Cost Sulfur/Nitrogen Dual-Doped Hard Carbon as the Negative Electrode Material for High-Performance Potassium-Ion Batteries

本文由材料人编辑luna编译供稿，材料牛整理编辑。

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