【材料科學(xué)站】南京工業(yè)大學(xué)王瑾教授課題組， CEJ觀點(diǎn)：擇優(yōu)工程化邊緣氮活性位點(diǎn)助力空心碳球?qū)崿F(xiàn)快速可逆的鉀存儲(chǔ)
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擇優(yōu)工程化邊緣氮活性位點(diǎn)助力空心碳球?qū)崿F(xiàn)快速可逆的鉀存儲(chǔ)。第一作者：金思妍，梁培通訊作者：王瑾*單位：南京工業(yè)大學(xué)
研究背景
鋰離子電池(LIBs)由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成功地在便攜式電子產(chǎn)品和大型電動(dòng)汽車上實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。然而，鋰資源需求的不斷增長(zhǎng)和成本的上升大大阻礙了LIBs的發(fā)展。因此，探索具有豐富地殼資源的低成本電池是十分必要的。鉀離子電池(PIBs)由于資源豐富、成本低廉、氧化還原電位低而受到人們的廣泛關(guān)注。而在儲(chǔ)鉀過程中，大尺寸的鉀離子往往會(huì)引起巨大的體積變化和緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。因此，尋找合適的電極材料，能夠很好地容納大尺寸的K+，實(shí)現(xiàn)快速可逆的K+存儲(chǔ)性能，是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)，特別是負(fù)極材料。硬碳負(fù)極材料由于其較好的化學(xué)穩(wěn)定性，成本低廉，環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是一種極具前途的鉀離子電池負(fù)極材料之一。但是，硬碳材料的儲(chǔ)鉀性能依然受限于鉀離子嵌入/脫出過程中的巨大體積膨脹和緩慢動(dòng)力學(xué)。
文章簡(jiǎn)介
基于此，南京工業(yè)大學(xué)的王瑾教授 聯(lián)合中國(guó)計(jì)量大學(xué)梁培教授在知名期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表的題為“Preferentially Engineering Edge–Nitrogen Sites in Porous Hollow Spheres for Ultra–Fast and Reversible Potassium Storage”的研究工作。該工作通過結(jié)構(gòu)工程與N/P雙摻雜相結(jié)合的策略，獲得超高邊緣氮摻雜的空心多孔碳球（N/P-HPCS）。所開發(fā)的負(fù)極材料具有獨(dú)特的中空介孔結(jié)構(gòu)，優(yōu)先暴露出豐富的邊緣氮活性位點(diǎn)；額外的磷摻雜調(diào)節(jié)邊緣氮位點(diǎn)的價(jià)帶，有利于提升邊緣氮含量。中空多孔碳球結(jié)構(gòu)和超高邊緣氮（85.6%）的協(xié)同效應(yīng)，擴(kuò)大的層間距(0.412 nm)和豐富的活性位點(diǎn)，能夠有效增強(qiáng)表面吸附的鉀離子存儲(chǔ)。因此，所制備的N，P-共摻雜中空多孔碳球表現(xiàn)出相當(dāng)出色的可逆容量，優(yōu)異的倍率性能（193.0 mAh g-1在 4 A g-1下）和穩(wěn)定的循環(huán)能力（在 2 A g-1下，1500 次循環(huán)后保持率為63% ）。深入的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析證實(shí)了該N/P-HPCS電極的增強(qiáng)儲(chǔ)鉀機(jī)制主要?dú)w因于快速的贗電容機(jī)制。該工作為構(gòu)建高邊緣氮摻雜碳材料提供了一種可行的策略。
本文要點(diǎn)
要點(diǎn)一：構(gòu)筑N，P-共摻雜中空多孔碳球提升儲(chǔ)鉀性能該工作通過結(jié)構(gòu)工程與N/P雙摻雜相結(jié)合的策略，獲得超高邊緣氮摻雜空心多孔碳球。邊緣氮含量高達(dá)85.6%，N/P雙摻雜有利于擴(kuò)大層間距(0.412 nm)，較高的比表面積有利于增加活性位點(diǎn)，能夠有效增強(qiáng)表面吸附的鉀離子存儲(chǔ)。此外，碳球獨(dú)特的中空介孔結(jié)構(gòu)有利于緩解儲(chǔ)鉀時(shí)的體積膨脹、增加與電解液的接觸面積和縮短K+擴(kuò)散路徑。因此，所制備的N，P-共摻雜中空多孔碳球表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鉀循環(huán)性能和倍率性能。
要點(diǎn)二：儲(chǔ)鉀機(jī)理和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的分析通過一系列非原位測(cè)試手段研究了鉀離子的儲(chǔ)存機(jī)理，以及GITT和不同掃速下的CV測(cè)試顯示了N/P-HPCS在儲(chǔ)鉀過程中具有較高的擴(kuò)散系數(shù)和較高比例的表面主導(dǎo)儲(chǔ)鉀贗電容。DFT深入分析發(fā)現(xiàn)P摻雜調(diào)節(jié)邊緣氮水平，可以有效提高N/P?HPCS的K吸附能力和電子結(jié)構(gòu)，從理論上揭示了N/P?HPCS增強(qiáng)鉀離子存儲(chǔ)能力的機(jī)理。
要點(diǎn)三：組裝N/P-HPCS//AC用于鉀離子混合電容器以商業(yè)活性炭為正極，以N/P?HPCS為負(fù)極組裝成鉀離子混合電容器。該電容器表現(xiàn)出的113.03 Wh kg-1/12.33 kW kg-1的能量/功率密度。
文 章 鏈 接“Preferentially Engineering Edge–Nitrogen Sites in Porous Hollow Spheres for Ultra–Fast and Reversible Potassium Storage”https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134821