Advanced Science:高性能柔性碳基钾离子电池负极

稀缺的锂资源使得锂离子电池成本不断上升,寻求一种可替代锂离子电池的低成本的电化学储能器件成为亟待解决的问题。钾的电化学性质和锂相似,且地球储量丰富,是未来有望取代锂离子电池的不二选择。开发电化学性能优异,成本低廉,绿色环保的负极材料是钾离子电池商业化的基石。众所周知,钾离子可以嵌入石墨形成一级插层化合物(GIC,KC8),理论容量为279 mAh g-1,为钾离子负极的研发打开了方便之门。然而,相较与锂离子,钾离子具有更大离子半径,使得石墨作为钾离子电池负极时,循环寿命和倍率性能受到极大限制。因此,设计开发低成本,简单且具有高容量高倍率性能的石墨材料是加速钾离子电池发展的关键。

近日,湖南大学张二晋博士(第一作者)等人研究发现,在还原氧化石墨烯表面引入碳点能极大提高还原氧化石墨烯的储钾性能。利用微波辅助将碳点锚定在还原氧化石墨烯表面(CDs@rGO)设计了三维柔性石墨烯负极,实现了柔性钾离子的稳定高效存储。具有三维结构的CDs@rGO薄膜作为钾离子电池负极,表现出较高的容量(在100 mA g-1的电流密度下具有310 mAh g-1的高比容量),优异的循环稳定性(在200 mA g-1的电流密度下循环840次后仍保持244 mAh g-1的比容量)和优异的倍率性能(经历连续6次电流变化后,在500 mA g-1的高电流密度可提供185 mAh g-1的比容量)。循环伏安法及原位XRD测试表明,碳点的引入使还原氧化石墨烯的储钾机制从嵌钾/脱钾转变为嵌钾/脱钾与吸附/脱附共同作用,因而使还原氧化石墨烯快速可逆储K+成为可能。

研究者相信,引入碳点的策略可以为高性能钾离子电池石墨负极及其它材料体系的开发提供了一种新的思路。相关结果以“Carbon Dots@rGO Paper as Freestanding and Flexible Potassium‐Ion Batteries Anode”为题在线发表在Advanced Science (DOI:10.1002/advs.202000470)上,全文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000470