广东工大张文礼&KAUST Husam N. Alshareef教授AEM: 多级结构风琴状氮掺杂炭负极用于高性能钾离子储存

钾离子电池（PIBs）是未来大规模储能的潜在候选储能技术。PIB面临的一个挑战是碳材料较低的层间距导致较大的体积膨胀和容量衰减。从形貌和结构上构建多级结构可以缓冲嵌（脱）K过程中体积的变化，从而提高其稳定性。

具有层次化结构的氮掺杂碳材料不仅可以缓冲重复(脱)钾化过程中的体积变化，实现稳定的循环，而且可以获得较高的可逆容量。近日，广东工业大学张文礼教授，阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授报道了一种直接热解策略，用于制备用于PIB负极的高氮掺杂的手风琴状碳（N-ALC）负极材料，该碳材料具有超高的氮掺杂含量（26.7at.%）和良好的储K性能。

一、手风琴状碳N-ALC制备过程分析

选择尿酸（UA）作为直接热解合成N-ALC的碳前驱体。直接热解法的优点在于，所得到的N-ALC不需要进一步地处理。UA是一种具有颗粒形态的晶体，UA在380 °C以上分解，在热分解过程中，UA同时熔融并被组装成纳米圆柱体。这些纳米圆柱体经历进一步的分解，当温度达到700度以上时，N-ALC骨架中形成薄的碳纳米片。其结构演化过程如图1所示。研究人员进一步制备了热解温度为700和900 ℃的碳（记为N-ALC-700和N-ALC-900）。

图1. N-ALC的结构演化过程

二、优良的电化学储K性能

所制备的N-ALC在碳酸酯电解液中有较好的储K行为。其稳定的可逆容量达到了346mAh/g。并且表现出较好的倍率性能和循环稳定性。相比较于N-ALC-900，N-ALC-700表现出更好的容量和倍率性能。N-ALC-900和N-ALC-700均表现出较好的循环稳定性。

图2. N-ALC的电化学储K性能

三、循环过程中的结构分析

所制备的N-ALC在循环过程中保持了良好的结构稳定性。循环1000次和循环2000次后，N-ALC的形貌和微观结构没有发生明显的变化。良好的循环稳定性归因于其多级结构。风琴状的多级形貌可以抵抗嵌（脱）K过程中的体积变化。薄片炭层的缺陷结构也可以缓解嵌（脱）K过程中的体积变化。薄片炭层上的缺陷可以提供更多的嵌（脱）和吸附活性位点。

图3. N-ALC负极在循环过程中的结构变化

四、总结与展望

本文提出了一种直接碳化法制备多级结构碳材料的方法。N-ALC的多级结构可以显著缓冲K在嵌（脱）K过程中的体积变化，从而提高其循环稳定性。高氮掺杂量也使N-ALC具有较高的可逆储K容量。直接碳化法构建多级结构碳材料为我们设计高性能炭负极材料提出了一种方案。

Wenli Zhang, Minglei Sun, Jian Yin, Ke Lu, Udo Schwingenschlögl, Xueqing Qiu, Husam N. Alshareef, Accordion-Like Carbon with High Nitrogen Doping for Fast and Stable K Ion Storage, Advanced Energy Materials, 2021, 2101928

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101928