北京大学《ACS NANO》：钾离子电池负极用硫掺杂碳：了解硫的掺杂和储钾机理

1成果简介 

硫掺杂策略因其提高碳负极容量和动力学的双重潜力而引起了钾离子电池碳负极的广泛关注。了解硫的掺杂和储钾机理对于指导高性能硫掺杂碳负极的结构设计和优化至关重要。本文，北京大学材料科学与工程学院侯仰龙教授团队在《ACS NANO》期刊发表名为“Sulfur-Doped Carbon for Potassium-Ion Battery Anode: Insight into the Doping and Potassium Storage Mechanism of Sulfur”的论文，研究提出一种实验室合成的硫掺杂硬碳（SHC），其硫含量为6.4 at %为例，阐明了硫掺杂机理，揭示了硫在钾储存中的作用。SHC的高硫含量源于硫对碳的选择性替代和硫化后硫分子碎片的残留痕迹。因此，由于掺杂硫在钾储存中的多方面作用，在相同的测试条件下，SHC相对于无硫硬碳实现了约两倍的容量、速率能力和循环稳定性。此外，基于SHC阳极组装的钾离子混合电容器显示出高能量/功率密度（139 Wh kg-1/7.3 kW kg-1），同时具有非凡的循环稳定性。

2图文导读  

图1.（a，b）SEM图像；（c，d）TEM图像（（e）是计算的层间间距）；（f） SHC的HAADF和EDS元素图谱。（g） N2吸附-解吸等温线；（h，i）SHC和HC的DFT孔径分布。

图2：（a）XRD图案；（b）SHC和HC的拉曼光谱。(c) 去卷积S 2p光谱；(d, e) TOF-SIMS质谱；(f) SHC的硫种类的含量。(g) S2和S3的计算尺寸；(h) 掺硫机制的示意图。

图3. SHC和HC的电化学特性。

图4.（a）gr中K的扩散路径；（b） gr-S5；（c）gr-S6。（d）K在gr、gr-S5和gr-S6上的扩散势垒能量。（e）Ar离子溅射不同时间后完全放电SHC的C1s和K2p光谱。对SHC在不同放电状态下的（f）C1s和K2p和（g）O1s光谱进行反卷积

图5.SHC的钾离子储存机制。

3小结 

综上所述，已经合成了一种含硫量高的硫掺杂硬碳，并将其作为标准实例，以探索硫掺杂机理和硫在钾储存中的作用。这项工作成功地揭示了钾离子电池（PIBs）掺硫碳阳极中硫的掺杂和储钾机制。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09845

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来源：文章来自ACS NANO网站，由材料分析与应用整理编辑。

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