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介孔碳中的短程有序可提高储钾性能

近两年,钾离子电池因资源储量丰富,与Li相近的氧化还原电位等优点备受科学家关注。然而,由于钾离子半径大,传统商业化使用的石墨负极尽管可以用于钾离子电池负极,但其储钾性能较低(279mAh/g),且倍率和循环性能远低于在锂离子电池中的应用。因此,寻求高性能的负极材料是钾离子电池发展的重要挑战之一。与结晶度良好的石墨不同,具有短程有序原子的无定形碳拥有较大的层间距,有利于大尺寸钾离子的脱嵌,并且能缓解充放电过程中体积膨胀的问题,是一种有潜力的钾离子电池负极材料。此外,介孔碳因其较高的比表面积也备受大家关注。

介孔碳中的短程有序可提高储钾性能

图1 (a-b)OMC的XRD图;(c)OMC的BET图;(d)OMC的SEM图;(e)OMC的TEM图;(f)OMC的HRTEM图。

有鉴于此,近期北京大学郭少军教授课题组等人制备出一种无定形有序介孔碳(OMC),作为钾离子电池负极,表现出优越的电化学性能。无定形有序介孔碳的层间距为5.21 Å,嵌入钾离子后降至4.53 Å,脱出钾离子后降至4.18 Å,在这期间层间距变化率只改变了7%。在嵌入钾离子过程中,无定形有序介孔碳的石墨化程度增加,以及在小范围内无序碳转化为石墨叠层。较大的层间距和独特的层间结构有利于钾离子嵌入碳层间,缓解体积膨胀问题,提高钾离子电池的电化学性能。此成果发表在国际期刊Adv. Energy Mater.上

介孔碳中的短程有序可提高储钾性能

图2 (a)在电流密度0.05 A/g下,OMC电极的充放电曲线图;(b)在电流密度0.05 A/g下,OMC电极的循环性能图;(c)不同电流密度下,OMC电极的倍率性能图;(d)在电流密度0.2 -1.0 A/g下,OMC电极的循环性能图;(e)在电流密度1.0 A/g下,OMC电极的长循环性能图。

介孔碳中的短程有序可提高储钾性能

图3 (a)石墨在嵌钾/脱钾过程的机理图;(b)OMC在嵌钾/脱钾过程的机理图。

OMC作为钾离子电池负极,表现出较高的比容量和循环稳定性。在电流密度0.05 A/g下,循环100次,比容量仍高达257.4 mAh/g。在电流密度0.05,0.1,0.2,0.5,1.0 A/g下,比容量分别为286.4,255.1,218.8,186.3和 144.2 mAh/g,体现了良好的倍率性能。在大电流密度1.0 A/g下,循环1000次,比容量为146.5 mAh/g,库伦效率高达100%,体现了超长循环稳定性。对于OMC有如此优良的电化学性能,作者做出如下解释:(1)非晶的无定形碳在短距离内具有较大的层间距,有利于负载更多的钾离子和缓解嵌钾/脱钾过程中层间距的变化;(2)根据“吸附—嵌入”机理,碱离子可以吸附在材料表面和边缘的活性位点中。由于无定形和介孔结构,OMC中存在许多边缘和缺陷。因此,大量的钾离子吸附在OMC的边缘和缺陷的活性位点中,有助于提高电池的比容量。而且,钾离子嵌入边缘和缺陷的活性位点中不会引起材料的体积膨胀。该成果为以后制备储能碳材料提供了新的思路。

参考文献:

Wei Wang, Jinhui Zhou, Zhuopeng Wang, Liyun Zhao, Peihao Li, Yong Yang, Chao Yang, Hanxin Huang, and ShaojunGuo. Short-Range Order in Mesoporous Carbon Boosts Potassium-Ion Battery Performance, Adv. Energy Mater. 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701648.

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