北大Adv. Energy. Mater.：硫氧共摻雜多孔硬碳微球助力高性能鉀離子電池

【引言】

當今新型電池技術的迅速發展催生了鋰元素的大量開采利用。但是鋰源在地殼中的含量不高，限制了二次電池的進一步發展。與鋰相比，鈉源和鉀源豐度更高。并且，K/K⁺還原對的電勢比Na/Na⁺的低，使得鉀離子電池擁有比鋰離子電池更高的放電電壓和能量密度。

鉀離子電池與鋰離子電池有著相似的“搖椅式”充放電原理。鉀離子電池的主要挑戰是，鉀離子的離子半徑比鋰離子的大，使得鉀離子在電極材料中的嵌入變得困難，從而造成了脫鉀和嵌鉀過程中的低容量、低倍率性能和短循環壽命。現今，無定型硬碳材料的密度較低，具有較大層狀插層，能夠有效緩解鉀離子嵌入帶來的體積膨脹。

【成果簡介】

近日，來自北京大學的王前特聘研究員、郭少軍研究員和楊槐教授（共同通訊作者）在著名期刊Advance Energy Materials上發表題為” Sulfur/Oxygen Codoped Porous Hard Carbon Microsphere for High-Performance Potassium-Ion Batteries”的文章。該文章報道了一種通過熱解液晶/環氧樹脂單體/硫醇固化劑體系形成的聚合物微球，并運用簡易的碳化-刻蝕策略來制備硫氧共摻雜多孔碳微球用于高性能鉀離子電池負極。無定型的多孔碳微球有著合適的插層間距(0.393nm)，較大的比表面積(983.2m² g^-1)，以及分層的微孔/介孔結構。該微球在50mA g^-1電流密度下有226.6mAh g^-1的可逆比容量(石墨的理論比容量為279mAh g^-1)，1A g^-1電流密度下循環2000次保持108.4mAh g^-1沒有衰減。

【圖文導讀】

示意圖一：多孔碳微球的制備示意圖。

a) 聚合物糖漿的均勻混合物；

b) 熱固化過程；

c)/d) 移除液晶之后的多孔微球；

e) 多孔微球的化學結構；

f) 表面光滑的碳微球；

g) 硫/氧共摻雜的碳微球示意圖；

h) 多孔碳微球；

i) 嵌鉀的示意圖。

圖一：SEM形貌圖。

a) 多孔微球；

b) 碳微球；

c)/d) 多孔碳微球。

圖二：表征。

a) 氮氣吸附曲線；

b) XRD圖；

c) 拉曼光譜；

d) TEM圖；

e) 高分辨TEM圖；

f) EDS圖；

g) XPS圖。

圖三：電化學性能。

a) 充放電曲線；

b) 50mA g^-1電流密度下的循環圖。

c) 倍率性能圖；

d) 不同電流密度下的循環性能圖；

e) 長循環圖。

圖四：嵌鉀和脫鉀過程中的表征。

a) 外原位XRD圖；

b) 完全嵌鉀時的TEM圖；

c) 不同嵌鉀狀態的拉曼光譜。

圖五：結構闡釋圖。

a) 多孔碳微球；鉀吸附在b)S₁，c)S₂，d)S₃位置的示意圖。

【小結】

合成了S/O共摻雜硬碳微球材料用于新型鉀離子電池，擁有較高的比容量、良好的倍率性能、優異的循環穩定性。在50mA g^-1電流密度下擁有226.6mAh g^-1的高比容量，1A g^-1電流密度下循環超過2000次。無定型碳結構的多孔碳微球有較大的插層間距(0.393nm)，大比表面積(983.2m² g^-1)以及豐富的結構缺陷，從而形成了分層多孔框架和S/O雜原子共摻雜。通過DFT計算，這些特性不僅利于鉀離子吸附于多孔碳微球上，而且能減緩嵌鉀脫鉀過程中的結構形變。

文獻鏈接: Sulfur/Oxygen Codoped Porous Hard Carbon Microspheres for High-Performance Potassium-Ion Batteries (Adv. Energy. Mater.: 10.1002/aenm.201800171)

本文由材料人新能源組Jespen供稿，材料牛整理編輯。

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