Advanced Energy Materials: 三维双杂原子掺杂多孔碳纳米片助力高性能钾离子混合电容器

金属离子混合电化学电容器结合了双电层电容器和金属离子电池的优势,兼具高能量密度、高功率输出以及长循环寿命等优点,有望成为未来可持续发展新型储能系统的一个重要补充。作为当前储能器件研究领域的一个新热点,钾离子电池由于其接近锂的氧化还原电势(-2.93 V vs. K/K+)、丰富的钾资源储量以及低的成本价格等优点,受到广泛的研究与关注。然而,K+相对于Li+更大的离子尺寸,使得钾离子电池存在功率密度较低以及循环不稳定等问题,从而影响钾离子混合电容器的电化学性能。尽管当前对改善钾离子储存能力的电极材料已有一些相关报道,但将其应用于钾离子混合电容器并最终走向实际应用,仍还有很长的距离。

碳基材料具有价格低廉、导电性好、表面化学性质和结构可控等优点,被认为是实现钾离子电池商品应用中最有前景的负极材料。然而,受钾离子半径大的限制,已经商品化用于锂离子电池的石墨碳负极材料在储钾时表现出较差的倍率性能以及快速的容量衰减行为,从而严重限制了其在钾离子电池中的实际应用。有鉴于此,中国科学院福建物质结构研究所温珍海研究员课题组和福州大学詹红兵教授课题组开展了相关的合作研究,成功设计和构筑了一种具有双杂原子(硫和氮)掺杂的三维立方像的多孔碳纳米片材料,并实现了该材料对钾离子的高效存储。由于该复合材料具有独特的大、中、微孔层级孔道结构、优异导电性、以及碳纳米片扩大的石墨夹层间距和表面丰富的官能团,其作为钾离子电池负极,表现出高的可逆比容量,优异的循环稳定性以及超高的倍率性能。作者通过非原位XPS分析、非原位Raman光谱以及系统的电化学性能测试,揭示了丰富的杂原子官能团为电极材料表面提供更多的K+氧化还原位点,表现出更加有利电容性储存的行为;同时引入双杂原子掺杂大大拓宽了碳层的夹层间距,为循环过程中较大离子半径的K+嵌入/脱出提供更多的空间,确保优异的结构稳定性。另外,作者利用恒电流间歇滴定技术手段,研究了电池充放电的扩散系数,证明在整个充放电过程中双杂原子掺杂的碳纳米片具有更快的动力学。更加引人注意的是,当该复合物应用于钾离子混合电容器的负极,能够克服与正极材料存在的动力学不匹配问题,从而同时实现高能量密度和高功率密度以及优异的长循环稳定性。

研究者相信,此项研究将为高性能钾离子混合电容器的实际应用开辟了一条新的途径,并为钾离子存储的选材设计提供新的思路。相关研究成果以“Fast Redox Kinetics in Bi‐Heteroatom Doped 3D Porous Carbon Nanosheets for High‐Performance Hybrid Potassium‐Ion Battery Capacitors”为题发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201901533)上。论文第一作者为福州大学博士研究生胡翔,福州大学詹红兵教授为共同通讯作者。