Advanced Science:环境友好的N/O双掺杂硬碳材料在高性能钾离子电池方面的应用

锂离子电池具有较高的能量密度和功率密度,广泛应用于电动汽车、便携式电子设备等领域。然而,锂资源相对较少且分布不均,人们迫切需要寻求高效、低成本的可替代储能器件。钾(K)储量丰富且具有和锂相近的氧化还原电位,因此关于钾离子电池(PIBs)的研究逐渐引起了研究者们的关注。碳基材料具有导电性好、结构稳定的特点,硬碳材料具有较大的层间距,可以存储更多的K。此外,杂原子(N, O, P, S, F等)掺杂能够有效调节碳材料的层间距并产生更多的活性位点,可进一步提高对K的存储。近年来,已有不少研究者制备了杂原子掺杂的碳材料,并将其用作PIBs负极材料。但是,目前所报道的制备方法相对复杂且规模较小,严重限制了其商业化应用。设计低成本、可简单且大规模制备、环境友好且具有较高容量和优异循环性能的硬碳材料是加速PIBs商业化应用的关键。

鉴于此,吉林大学材料科学与工程学院蒋青教授、杨春成教授及其研究团队通过将高梁秸秆芯一步碳化的方法制备了环境友好的N/O双掺杂的硬碳材料(NOHC)。该制备方法简单高效、可大规模制备且环境友好。所制备的NOHC具有: i) 较大的层间距; ii) 无定形结构、N/O双掺杂以及微孔/介孔分级结构。上述结构特点确保了NOHC具有更多的活性位点,能够存储更多的K。作为PIBs负极材料,NOHC表现出较高的容量和优异的循环稳定性(在1 A g-1的电流密度下循环5000圈的容量仍可保持在189.5 mAh g-1)。此外,以普鲁士蓝和NOHC分别为正负极组装成的PIBs全电池同样表现出优异的性能(在0.1 A g-1的电流密度下循环100圈的容量仍可保持在133.8 mAh g-1),并能够成功的点亮白色的LED灯泡和LED手表,具有良好的商用前景。

本文从降低成本,简化制备过程及环境友好等方面出发,设计并制备了N/O双掺杂的硬碳材料,其作为PIBs负极材料表现出优良的电化学性能。研究者相信,这项工作将会推动低成本和可持续的碳基材料在PIBs和其它先进储能设备中的开发与应用。相关论文以“N/O Dual-Doped Environment-Friendly Hard Carbon as Advanced Anode for Potassium-Ion Batteries”为题,在线发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201902547)上。