具有优异离子存储和电子快速通道的无定形碳/石墨耦合结构助力于高性能钾离子电池 | 王波教授、王伟教授，EnSM观点

文章信息

具有优异离子存储和电子快速通道的无定形碳/石墨耦合结构助力于高性能钾离子电池

第一作者：王波

通讯作者：王秋君*，王伟*

单位：河北科技大学，北京航空航天大学

研究背景

石墨负极能与钾形成稳定的插入层化合物（KC8）并提供279 mA h g−1的理论比容量。然而，石墨有限的层间距离（0.335 nm）不能提供足够的空间用以缓冲钾离子反复嵌入/脱出过程电极材料的体积变化，因此常常导致差的循环性能和可逆容量。

相较于石墨，具有灵活结构的无定形碳能通过缺陷、空腔以及纳米孔等多种形式储钾，通常展示出优异的容量以及循环稳定性。但是其低结晶度所引起的低电子电导率不利于倍率性能的改善。因此，在同一种材料里结合石墨的高导电性和无定形碳的高容量以及长循环寿命来构筑高性能负极极具吸引力。此外，构建中空多孔结构能够有效缓解体积应变进一步维持结构完整性。

文章简介

基于此，河北科技大学材料科学与工程学院王波教授科研团队与北京航空航天大学空间与环境学院王伟教授团队，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Amorphous carbon/graphite coupled polyhedral microframe with fast electronic channel and enhanced ion storage for potassium ion batteries”的研究文章。

该文章深入分析了石墨快速传递电子行为、无定形碳优异储钾机理以及中空多孔结构释放应力维持高结构稳定性作用。

图1. 无定形碳/石墨耦合多面体微框合成路线。

本文要点

要点一：无定形碳/石墨耦合结构合成

作者采用梧桐叶为碳源通过低温水热制备得到前驱体，该前驱体与一定量的尿素混合并经高温碳化成功获得具有中空多孔结构的无定形碳/石墨耦合微框。在该合成策略中，尿素所提供的氮掺杂能促使多孔结构的形成；并且在无定形碳形成过程中进行了一定程度的原位石墨化转换。作为获得的产物，其内部的石墨层能提供快速电子传递通道，有助于倍率性能的提升；外部的无定形碳不仅能提供高额的储钾容量，同时还能作为保护层用于缓解内部石墨的体积变膨胀。因此，当该产物作为钾离子电池负极材料时，在无定形碳和石墨的协同作用下能够产生显著的可逆容量（在500 mA g−1 下的容量为358.4 mAh g−1）、优异的倍率容量（在1000 mA g−1电流密度下的倍率为272.2 mAh g−1）以及稳定的循环寿命（在2000 mA g−1的电流密度下经过1800次循环容量能够保持在189 mA h g−1）。

图2. 无定形碳/石墨耦合多面体微框形貌结构表征。

图3. 无定形碳/石墨耦合多面体微框电化学性能。

要点二：有限元模拟计算阐释应力释放行为

钾离子反复嵌入/脱出过程中所产生的应力往往会对电极材料的结构稳定性造成破坏。在该项研究中，作者通过有限元模拟构建了5种不同模型并分别阐释了钾离子嵌入过程中不同模型各自的轴向和径向应力释放情况。可以明确的看到中空多空结构能很好的缓解结构应变维持坚固的结构稳定性，其产生的最大应力仅仅为22.5 Mpa并且应力浓度集中分布在孔附近。因此极大的提升了电极材料的结构稳定性，有助于改善循环性能。

图4. 有限元模拟分析无定形碳/石墨耦合多面体微框释放应力行为。

要点三：高潜力全电池运用

获益于无定形碳/石墨耦合材料结构的独特性，其不仅作为钾离子半电池负极时能呈现出优异的电化学性能，而且通过匹配普鲁士蓝正极材料还能在钾离子全电池中展现高能量密度（177.6 Wh kg−1）。此外，钾离子全电池能成功点亮不同数量的LED灯泡，表明了在电子设备中实际运用的巨大潜力。

图5. 普鲁士蓝//无定形碳/石墨全钾离子电池电化学性能。

文章链接

Amorphous carbon/graphite coupled polyhedral microframe with fast electronic channel and enhanced ion storage for potassium ion batteries

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.03.021

第一作者介绍

王波 博士，教授、博士生导师，。

河北科技大学材料学院副院长，河北省柔性功能材料重点实验室副主任，河北省青年拔尖人才，河北省三三三人才，河北省金属学会理事，河北冶金青年科技奖获得者，河北省兵工学会理事，曼彻斯特大学、渥太华大学访问学者。先后主持和参与国家级课题5项，省部和厅局级级课题10余项，横向课题20余项。发表论文100余篇，其中80余篇被SCI/EI收录，授权专利6项，获河北省科技进步一等奖1项、河北省教学成果二等奖1项。主要研究方向：碱金属离子电池，全固态锂电池，超级电容器，资源综合利用。

通讯作者介绍

王伟 博士，教授。

北京航空航天大学空间与环境学院教授，入选北京航空航天大学青年拔尖人才支持计划。北京科技大学-英国剑桥大学联合培养博士，2016年1月获得博士学位，随后在北京大学和美国哈佛大学做博士后研究。依托仿生能源材料与器件北京市重点实验室，主要从事锂/钠/钾/铝等碱金属离子电池研究、新能源材料及器件开发，电容去离子脱盐用于水体淡化，多功能纳米材料制备技术等方向，是世界上较早系统开展钾离子电池方向的研究者之一。国际期刊《APL Materials》客座编辑，《Tungsten》青年编委。迄今已发表SCI学术论文100余篇，授权专利10项，以通讯/第一作者在国际高水平期刊Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy Environmental Science, ACS Nano等发表SCI学术论文60余篇，引用5000余次。

王秋君 博士，讲师。

2015年获得北京科技大学材料科学与工程博士学位。2015年至2018年在华南理工大学从事博士后研究，同年入职于河北科技大学材料科学与工程学院。目前研究兴趣集中在储能材料以及固态电解质的合成和表征。

课题组介绍

王波教授团队立足于河北科技大学材料科学与工程学院，长期专注于先进储能材料等科研领域，一直致力于将前沿性基础研究成果与我省经济发展紧密相连。目前，团队主要研究方向包括新型碱金属离子电池材料、全固态锂电池电解质材料。团队成员毕业于中科院、东北大学、北京科技大学等国内一流学术研究院所。近五年来，团队先后主持参与国家自然科学基金、河北省自然科学基金、河北省重点研发计划、石家庄市重点研发计划等项目20余项；先后承担校企合作研发项目20余项。近五年来，先后发表论文100余篇，SCI 二区以上论文30余篇，申请专利20余项。

王波教授课题组网页链接：

https://clxynew.web.hebust.edu.cn/kytdxxjs/xjtd/f79c3acf7e08477b93b232e8a258df67.htm

你点的每个赞，我都认真当成了喜欢