Small:高能金属有机框架衍生的高氮掺杂碳材料助力高性能钾离子电池

锂离子电池在工业生产和生活中得到了广泛的应用。然而,由于锂资源相对较少且分布不均,锂离子电池不能满足储能系统的需求。寻求一种可替代锂离子电池的金属离子电池成为亟待解决的问题。钾储量丰富且电化学性质与锂相当,因此钾离子电池的发展对未来大规模储能具有战略意义。在钾离子电池负极材料中,资源丰富、环境友好的碳基材料得到了广泛的研究,利用杂原子掺杂来调节碳材料的结构并产生更多的活性位点,有利于钾离子的存储。对于氮掺杂的碳材料而言,根据理论计算,吡啶氮和吡咯氮可以有效的提高钾的吸附,从而能提高碳材料的储钾性能。然而,制备一种具有高的氮含量,同时具有高的吡啶氮和吡咯氮含量的碳材料仍然存在挑战。

中国科学技术大学陈乾旺教授课题组针对这一问题,通过对高能金属有机框架(MET-6)进行热解成功制备了高氮掺杂的碳材料,其中800℃制备样品其氮含量高达13.57 at%,且具有很高的吡啶氮(46.6%)和吡咯氮(29.1%)含量。除此之外,这种材料还具有超高的比表面积和丰富的孔隙结构,应用于钾离子电池负极材料时,表现出了极佳的倍率性能(在10 A g-1 和20 A g-1的电流密度下,其容量为144 mAh g-1 和105 mAh g-1)和优异的循环稳定性(在1 A g-1电流密度下循环2000圈的容量仍可保持在258.9 mAh g-1)。同时,结合理论计算和电化学测试分析,系统研究了该材料的储钾机制。

这项工作为高能MOFs的应用提供了一个新的思路,也提供了一种新的方法来制备高的吡啶氮和吡咯氮含量的碳材料。相关研究论文发表于Small (DOI: 10.1002/smll.202002771)上,题为”Energetic Metal-Organic Frameworks Derived Highly Nitrogen-Doped Porous Carbon for Superior Potassium Storage”。