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南京工业大学付丽君教授、吴宇平教授AEM:高性能多原子掺杂硬碳钾离子电池负极材料的简单制备方法

【研究背景】

    由于日益增长的能源需求和化石能源的燃烧对地球环境负面影响,我们急需开发太阳能和风能等可再生能源。这些间歇可再生能源已开始在现在社会中运用,锂资源的价格较高、储存有限等因素对锂离子电池未来市场会产生一定影响,钾离子电池KIBs)被认为是新型储能体系极具潜力的候选之一。

【成果简介】

    近日,南京工业大学付丽君教授和吴宇平教授等人研发了一种低成本且可大规模制备的硫、氮双掺杂的硬碳负极材料(SNHC),其具有高的储钾性能和优异的倍率性能:电流密度为0.1A/g和3.0A/g时,分别循环500圈和1200圈后,可逆容量分别高达213.7和144.9mAh/g。此外,钾离子动力学分析表明电容行为的电荷存储为钾存储的主要贡献者,这有利于钾离子的快速存储。该成果以“A Large Scalable and Low-cost Sulfur/Nitrogen Dual-Doped Hard Carbon as the Negative Electrode Material for High-performance Potassium-ion Batteries”为题发表在 Adv. Energy Mater. (DOI:10.1002/aenm.201901379)上。南京工业大学先进材料研究院刘宇为本文第一作者。

【图文导读】

南京工业大学付丽君教授、吴宇平教授AEM:高性能多原子掺杂硬碳钾离子电池负极材料的简单制备方法 图1. a)SNHC的制备示意图;b)CPAN的SEM图;c-d)SNHC的SEM图;e)SNHC的TEM图;f)SNHC和g)CPAN的HRTEM图。

南京工业大学付丽君教授、吴宇平教授AEM:高性能多原子掺杂硬碳钾离子电池负极材料的简单制备方法图2. SNHC和CPAN的a)XRD图谱;b)Raman图谱;c)N2吸附脱附等温曲线;d)孔径分布图;e)XPS图谱;f)SNHC的XPS谱(S 2p)。

南京工业大学付丽君教授、吴宇平教授AEM:高性能多原子掺杂硬碳钾离子电池负极材料的简单制备方法图3. a)SNHC的充放电曲线图;b)SNHC的dQ/dV曲线;c)SNHC和CPAN的循环性能;d)SNHC与其他材料的倍率性能比较图;e)SNHC和CPAN的倍率性能图;f)SNHC的循环性能图。

南京工业大学付丽君教授、吴宇平教授AEM:高性能多原子掺杂硬碳钾离子电池负极材料的简单制备方法图4. a)SNHC在0.2至10mV/s扫描速率下的CV曲线;b)SNHC在0.5mV/s扫描速率下的电荷存储;c)SNHC在不同扫速下的电容贡献图;d)CPAN在0.2至10mV/s扫描速率下的CV曲线;e)CPAN在0.5mV/s扫描速率下的电荷存储;f)CPAN在不同扫速下的电容贡献图;g)SNHC和CPAN的GITT曲线;f)SNHC碳表面的电容电荷存储示意图。

【小结】

研究表明,经过S、N双掺杂后,SNHC呈现出一种具有丰富缺陷和活性位点的分层结构,有利于促进钾扩散。当电流密度为0.1A/g时,SNHC在500次循环后提供213.7mAh/g的高可逆比容量;在3A/g电流密度下,循环1200圈时具有144.9mAh/g的可逆比容量,展现出优秀的循环稳定性。动力学研究表明,电容和法拉第电荷存储都有助于SNHC和CPAN的容量。且相比于CPAN(PAN直接裂解产物),SNHC表现出更高的电容电荷贡献和更大的钾扩散系数。该工作表明,通过简单便捷热解过程来制备具有分层结构的杂原子掺杂碳材料,为下一代大规模电能存储的大电流充放的钾离子电池碳基负电极材料提供了一种新思路。

Yu Liu, Haodong Dai, Lu Wu, Weibin Zhou, Liang He, Weigang Wang, Wenqi Yan, Qinghong Huang, Lijun Fu, Yuping Wu, A Large Scalable and Low-Cost Sulfur/Nitrogen Dual-Doped Hard Carbon as the Negative Electrode Material for High-Performance Potassium-Ion Batteries, Adv. Energy Mater., 2019, DOI:10.1002/aenm.201901379

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参考文献:Adv. Energy Mater.

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