EEM | 福建师范大学黄维院士&赵毅研究员、中国科学院官轮辉：通过碳杂化和硫掺杂的双重策略提高碳负极的储钾性能

近日，福建师范大学黄维院士&赵毅研究员、中国科学院功能纳米结构设计与组装重点实验室官轮辉在Energy & Environmental Materials上发表题为“Approaching Superior Potassium Storage of Carbonaceous Anode Through a Combined Strategy of Carbon Hybridization and Sulfur Doping”的研究型论文。碳质材料具有电导率高、性能稳定、资源丰富等优点，是很有前途的钾离子电池(PIBs)负极候选材料，但其实际应用仍受到容量有限和倍率性能劣化的阻碍。在此，我们通过碳杂化和杂原子掺杂相结合的策略报道了一种性能优异的碳质负极材料。在该复合材料中，空心碳(HCS)被锚定在石墨烯(G)表面，然后进行硫掺杂处理，旨在整合石墨烯的高导电性、HCS良好的结构稳定性以及硫掺杂诱导的充足活性位点。

文章简读

近年来，钾离子电池(PIBs)由于钾资源丰富且价格低廉、K⁺ / K (-2.93 V vs SHE)氧化还原电位低以及与锂离子电池(LIBs)反应机理相似等优点，已成为一种具有广泛应用前景的储能系统。遗憾的是，K⁺ (1.38Å)离子半径较大会带来电极材料巨大的体积变化和缓慢的反应动力学，从而导致储钾性能下降。迄今为止，开发高性能的PIB电极材料仍然是一个巨大的挑战。目前报道的电极材料，如转化型(金属氧化物/硫化物/硒化物/磷化物)、合金型(P, Sb, Bi, Sn )和碳质材料(石墨、石墨烯、碳纳米管、硬碳、软碳)。其中，碳负极因其良好的化学稳定性、丰富的资源和高的导电性而受到广泛关注。特别是石墨作为LIBs的商业阳极，可以可逆存储K-离子，理论容量为279 mA h g^-1。然而，层状石墨碳有限的层间距(3.35 Å)会阻碍离子扩散，引起较大的体积膨胀，导致其容量衰减严重，倍率性能较差。

除石墨碳外，无定形碳(AC)具有高度无序的结构和较大的层间距，能够容忍K⁺的插入/抽出，具有良好的结构稳定性。但AC较少的晶体结构不利于其具有较好的电子导电性能。例如，沥青基软碳在1C下表现出良好的循环保持性，可达1000个循环，而在5C下其速率能力仅限于115 mA h g^-1。为了增强交流阳极的性能，人们开发了一些充分的策略，如杂原子掺杂和纳米结构设计等。杂原子(例如, N、 S、 P和 O)掺杂策略有效地调制了碳材料的电子结构，生成了充足的活性位。中空或多孔碳纳米结构的设计可提供短的离子/电子扩散路径和大的电极/电解质接触面积，并可容纳体积变化以获得优越的性能。例如，S接枝空心碳球在3A g^-1的循环1000次后容量保持率为93 %。多孔P / N共掺杂碳纳米纤维在0.1 A g^-1时可表现出327 mA h g^-1的高容量，在10 A g^-1时可表现出194 mA h g^-1的速率能力。尽管已经取得了一些成果，但碳负极容量和倍率性能依然难以满足商业化PIBs的要求。最近，碳基纳米复合材料被广泛应用于碱离子存储，以开发高性能阳极材料。碳与其他组分之间的有利协同作用(如Sb、Bi、P、Sn、金属氧化物、硫化物、硒化物等)可获得良好的循环寿命和倍率性能。例如，张同事报道了一种碳包复的Co₃O₄储钾复合材料，在0.5 A g^-1处表现出良好的循环稳定性，740次循环后仍保持213 mA h g^-1的容量。此外，石墨烯基体可以有效提高CoS和NiS₂负极的循环稳定性和倍率性能。因此，开发具有不同碳基体优点的碳-碳复合材料，将是实现优异性能的有效途径。迄今为止，对碳杂化物作为PIB负极的探索仍然有限，碳/碳相互作用对K^-离子储存行为的影响还鲜有研究。在此，我们发展了碳杂化和杂原子掺杂相结合的策略来提高碳负极的储钾性能。首先，通过将无定形空心碳锭(HCS)锚定在石墨烯表面，合理构建了一种碳-碳杂化材料，记为G @ HCS，该复合材料能够整合石墨烯的高导电性和HCS良好的结构稳定性。然后，采用硫掺杂的方法进一步优化碳杂化物的K^-离子吸收/输运性能。

图文简介

图 1.通过在氧化石墨烯上锚定FeOOH、碳包覆、酸蚀、硫掺杂等方法合成S-G @ HCS复合材料的过程示意图。

图 2.  (a, d, g) SEM形貌图, (b, c, e, f, h, i)为图a–c的TEM形貌图, d–f) G@HCS,和(g–i) S-G@HCS的复合, (j) S-G@HCS复合材料的STEM图像及不同的元素分布(k) C (I)。

文章链接

Qianqian Yao,Yanmei Gan,Prof. Zuju Ma,Dr. Xiangying Qian,Dr. Suzhi Cai,Prof. Yi Zhao*, Lunhui Guan*, Wei Huang*. Approaching Superior Potassium Storage of Carbonaceous Anode Through a Combined Strategy of Carbon Hybridization and Sulfur Doping. Energy Environ. Mater. 2022.5(3): 944-953.  DOI: 10.1002/eem2.12217

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12217

扫描右方二维码或点击阅读原文，查看文献！

EEM

Energy&Environmental Materials（《能源与环境材料》）是由郑州大学主办的，同行评议的开放获取期刊，季刊

• 2022年IF 13.443

• 中科院一区TOP期刊

• JCR Q1区期刊

• SCIE、Scopus和EI数据库收录

• CSCD核心库来源期刊

• 中国最具国际影响力期刊

发展历程

联系我们电话：[phone]邮箱：[e-mail]