中国海洋大学柳伟ACS Applied Materials & Interfaces：熔盐辅助构建外部短程有序/内部无序的异质空心碳球用于超稳定的钾离子存储

kongxy 2年前 (2023-01-20) 1934浏览

一、【导读】

碳材料具有稳定的物理和化学性能、优良的导电性能和低成本，作为钾离子电池负极材料的研究受到广泛关注。然而，面对K离子大半径的影响，可能导致碳电极的动力学行为不佳，体积变化严重，导致钾离子存储过程中较差的倍率性能、容量和循环稳定性。因此，有必要合理设计和调控结构坚韧、K离子易于嵌入/脱嵌的碳基负极材料，以实现高性能的钾离子存储。

二、【成果掠影】

近日，中国海洋大学柳伟教授通过熔盐法制备了一种外部短程有序/内部无序的N,S掺杂的异质结构的空心碳球，并将其作为钾离子电池负极材料。实验结果证明，该异质结构为缓解元素掺杂的碳材料电导率和赝电容之间的矛盾提供了一种可行的途径，从而赋予MSTC高比容量和优异的倍率性能。同时，互连空心碳增加了碳框架的稳定性，实现了高效的钾离子储存并具有优异的循环稳定性，在1 A g-1电流密度下循环20000次后性能保持稳定。该工作的成功为克服碳基钾离子存储负极材料动力学缓慢、循环寿命低等问题，以及进一步构建高能量-功率密度先进器件提供了新的见解。研究成果以“Molten Salt-Assisted Construction of Hollow Carbon Spheres with Outer-Order and Inner-Disorder Heterostructure for Ultra-Stable Potassium Ion Storage”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，杜永旭博士为第一作者。

三、【核心创新点】

  1. 采用熔盐辅助法制备了一种N，S掺杂的外层短程有序-内层无序的异质空心碳球结构，实现了高效和超稳定的钾离子存储。
  2. 超薄的碳壁和均匀的中孔以及独特的异质结构，通过促进钾离子的快速扩散和缓解大量的体积膨胀，协同实现了显著的钾存储性能。

3.最优电极显示出卓越的循环稳定性，在1 A g-1电流密度下循环20000次后依然可保持221.3 mAh g-1 容量。

四、【数据概览】

图1  MSTC的形成过程示意图。©2022 The Authors

图2  (a) MSTC的SEM图像，(b-f) TEM图像和HRTEM图像，(g) MSTC的SEM图像和相应的EDS图谱。(h) CA预分解产物包覆SiO2过程示意图。 ©2022 The Authors

图3  (a) 不同样品的XRD图谱，(b)拉曼光谱，(c)N2吸-脱附等温线和(d)孔径分布曲线，以及(e) 不同样品的比表面积、ID/IG和电导率的对比，(f-h) MSTC的高分辨率XPS光谱C 1s、N 1s和S 2p。©2022 The Authors

 

图4  (a) MSTC负极在0.2 mV s-1的CV曲线，(b) MSTC在不同电流密度下的充放电曲线，(c) MSTC在0.1 A g-1下循环100圈的性能，(d)不同电流密度下倍率性能和(e) MSTC与之前报道的PIB负极的容量对比，(f) 不同样品在1 A g-1时的循环性能，(g) MSTC在5 A g-1和10 A g-1的循环性能。(h) MSTC和其他碳质材料电极的循环性能对比。©2022 The Authors

图5  （a-c）MSTC循环100和20000圈后的SEM图像，(d) MSTC循环20000圈循后的SEM图像相应EDS图谱，(e, f) MSTC循环100圈后的TEM和HRTEM图像，(g, h) MSTC循环20000圈后的TEM和HRTEM图像，(i) MSTC的钾离子储存机制示意图。©2022 The Authors

图6  (a, b) (a, b) 不同样品循环前后的Nyquist图，(c) MSTC储钾示意图，(d, e) MSTC钾化/去钾化过程中的GITT曲线和相应的反应电阻，(f) MSTC电极在不同扫描速率下的CV曲线，(g) 根据峰值电流和扫描速率之间的关系确定b值，(h) 不同扫描速率下MSTC的电容和扩散归一化贡献占比以及(i) 1 mV s-1的电容贡献。©2022 The Authors

图7  (a) MSTC//PC器件的示意图，(b) MSTC和PC电极在扫描速率为1 mV s-1时的CV曲线（顶部），MSTC// PC的CV曲线（底部） (c) 不同质量比的MSTC// PC在1 A g-1电流密度下的GCD曲线，(d) 最佳MSTC//PC和以前报道的LIHCs、SIHCs和PIHCs的Ragone对比图和(e) 其他有代表性的储能器件， (f) 电流密度为5 A g-1的MSTC//PC器件的循环性能。©2022 The Authors

 

五、【成果启示】

作者通过熔盐辅助法构建了N，S掺杂且具有外层短程有序、内层无序的互连空心碳结构的MSTC，作为负极表现出优异的的K离子存储性能，特别是卓越的循环稳定性。外层短程有序碳不仅保持了结构的稳定性，还提供了高导电性，有利于电子/离子的快速扩散。内层的无序碳为K离子的储存提供了丰富的缺陷，增强了电容行为，实现了高速率能力。独特的具有 "焊接点"的相互连接的中空结构可以有效地缓解K+插层/分层过程中整个碳基体的体积变化，并贡献额外的赝电容。作为钾离子电池和钾离子混合电容器负极，MSTC展示出先进的循环性能。作者这种独特的设计结构有效地克服了碳基阳极材料在钾离子存储方面的动力学迟缓和循环寿命低下的问题，为进一步构建高能量功率密度的先进器件提供了新的途径。

原文详情：Molten Salt-Assisted Construction of Hollow Carbon Spheres with Outer-Order and Inner-Disorder Heterostructure for Ultra-Stable Potassium Ion Storage, 2023, ACS Applied Materials & Interfaces. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c19784

本文由作者供稿

 

 

 

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