中科大章根强团队EnSM:同步调控阴/阳离子吸附动力学,实现高性能钾离子混合电容器

中科大章根强团队EnSM:同步调控阴/阳离子吸附动力学,实现高性能钾离子混合电容器【研究背景】
随着社会对能源短缺和环境保护问题的日益关注以及能源结构的转型,极大促进了对于风能、水能、太阳能等绿色可再生能源体系的开发,并进一步推进了近几十年电化学储能设备的发展。其中,钾离子混合电容器(KIHCs)因其具有高能量/功率密度、高自然丰度、低成本等优点,成为最有前景的大规模储能体系之一。然而,钾离子较大的半径造成了阳极端缓慢的离子存储动力学,这进一步加剧了KIHCs中正负极间的动力学失配,引起诸如能量密度降低,循环寿命缩减等问题。因此,设计具有快速赝电容离子存储能力的电极材料可以增强电极间的动力学兼容性,可以极大的提升KIHCs器件的整体性能。

【工作介绍】
近日,来自中国科学技术大学的章根强教授课题组贵州师范学院特聘教授王文涛老师合作,采用基于超分子自组装的一锅法合成了多孔P,N共掺杂薄饼状碳材料(PN-PanC),实现了碳材料中阴阳离子吸附动力学的协同调控。通过原位拉曼、非原位XPS、电化学阻抗谱和理论计算探究了该材料的储能机理。以该碳材料同时作为阴极和阳极,组装成的KIHCs表现出优异的循环稳定性。该文章发表在国际顶级期刊Energy Storage Mater.上。中国科学技术大学博士生王功瑞和贵州师范学院特聘教授王文涛老师为本文第一作者。
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图1.PN-PanC的制备流程示意图。

【内容表述】
由于具有成本低廉、资源丰富、良好的物理化学稳定性、多样的同素异形体和可调节的形貌等优点,碳基材料引起了科学家们极大的兴趣,并作为一类电极材料被广泛的应用于能源存储领域。但是,钾离子在碳材料中离子扩散动力学比锂离子缓慢得多,这造成了碳材料作为KIHCs阳极储钾能力较为欠缺。另一方面,受物理吸附/脱附电荷存储机理的限制,传统的活性炭材料阴极的质量比容量较低(30-35 mAh g-1)。本文中,作者设计了多P,N共掺杂的多孔碳材料,得益于丰富的孔结构,暴露的活性位点,调节的电子结构和增强的离子吸附动力学,该碳材料表现出增强的K+/FSI的离子吸附动力学和存储能力。
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图2.PN-PanC的结构表征。

1. 薄饼状碳材料实现K+/FSI离子双功能存储
首先,作者成功地制备出一种双功能多级多孔P/N共掺杂薄饼状碳材料,其表现出优异的K+/FSI存储性能。具体地,PN-PanC作为负极时具有高比容量(在100 mA g−1为385.8 mAh g−1)和稳定的循环性能(在1000 mA g−1循环2000次的平均衰减速率为0.21 ‰);PN-PanC作为正极时也表现出卓越的比容量(在100 mA g−1为94.2 mAh g−1)。
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图3.PN-PanC的储钾性能。

2. 理论与实验相结合探究存储原理
通过非原位XPS、原位Raman、EIS分析和DFT计算,作者系统地研究了PN-PanC电极具有同时增强K+/FSI存储性能的起源,其可归功于多级多孔结构、暴露的活性中心、调控的电子结构和增强离子吸附动力学的协同作用。

3. 双功能应用实现高性能KIHCs
使用PN-PanC同时作为KIHCs的正极和负极,所组装出的KIHCs器件表现出高能量密度(在76.1 W kg−1为155.9 Wh kg−1)和高功率密度(11309.1 W kg−1),以及超长的循环寿命(在500 mA g−1电流密度下循环20K次之后,仍表现出高达93.4%的容量保持率)。
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图4.PN-PanC中FSI存储性能。
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图5. 首圈中,PN-PanC K+/FSI离子存储机理。
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图6. PN-PanC 存储K+/FSI的理论计算。
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图7. KIHCs的电化学性能。

Gongrui Wang, Wentao Wang, Xiaoyue He, Jie Li, Lai Yu, Bo Peng, Genqiang Zhang, Concunrent Manipulation of Anion and Cation Adsorption Kinetics in Pancake-like Carbon Achieves Ultrastable Potassium Ion Hybrid Capacitors, Energy Storage Mater, 2021, DOI:10.1016/j.ensm.2021.12.047
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721006292

章根强教授简介:
章根强教授,中国科学技术大学化学与材料科学学院教授,微尺度物质科学国家研究中心双聘研究员,国家高层次人才计划入选者。分别于2004年和2009年在中国科学技术大学获得学士和博士学位,2009年-2011年于普渡大学化工学院从事博士后研究,2011年-2014年在新加坡南洋理工大学/TUM-CREATE研究中心从事博士后研究,2014年-2016年在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室从事主任学者博士后研究, 2016年加入中国科学技术大学,建立能源纳米材料实验室。

章教授致力于先进功能纳米材料的优化合成及其在能源器件中的应用研究,近期主要从事的研究方向包括能源存储器件电极材料的应用研究,高性能电催化剂的设计合成和新颖复合纳米结构在能源存储与转换领域中的应用研究,并一直致力于推动相关研究产业化进展。已发表超过100余篇SCI论文,被引用次数超过8,800次,H因子=42,其中包括Sci. Adv., Nat. Comm., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Letter, Energy Storage Mater., Appl. Catal. B-Environ等高水平杂志。作为发明人申请7 项美国和中国发明专利,其中授权5项。现任Wiley出版社InforMat 期刊、Nano Research期刊青年编委、中国材料研究学会先进无机材料分会理事。

课题组介绍:
本课题组致力于先进功能纳米材料的设计合成及其在能源存储与转换器件中的应用研究,近期主要围绕以下三个研究方向开展工作:
1. 新颖复合微纳结构在能源存储与转换器件中的应用研究,包括储能电池,电催化以及光催化等。

2. 先进纳米结构高性能电催化剂及其应用,包括电解水制氢,金属空气电池,燃料电池,二氧化碳还原以及电化学重整等。

3. 下一代新型储能器件相关的电极材料研究,包括钠离子电池,钾离子电池,混合电容器及双离子电池等。

课题组主页:
http://zhanglab.ustc.edu.cn/chinese.php

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参考文献: