Advanced Functional Materials:具有优异储钾性能的氮/磷共掺杂空心多孔碗状碳负极

钾离子电池(PIBs)因钾资源储量丰富、成本低廉和电极电位(-2.93V)低,成为大规模储能的候选体系而备受关注,有望成为下一代的LIBs替代品。然而钾离子半径较大(K+ vs. Li+:1.38Å vs. 0.76Å)会导致反应动力学缓慢和体积膨胀较大,限制了其储存能力和循环稳定性。故PIBs的主要挑战之一是找到合适的负极材料,能够稳定地容纳钾离子,实现可逆的快速插入/提取。碳材料因其高电导率、环境友好性和良好的化学稳定性的优点而成为有前途的PIBs负极候选材料。其中硬碳,即非石墨碳,拥有高度无序,结晶结构少以及可调节的层间间距等优点而被公认为是最有吸引力的候选者。同时在硬碳材料中引入杂原子(N,S,O和P)已被证明是一种有效的策略,可通过创建更多的活性位点或大量的缺陷,扩大层间距进而显著提高K+存储性能。开发具有空心,多孔结构的硬碳材料也有益于容纳更多的钾离子,能够在多次循环过程中容许体积膨胀,缩短了离子的扩散路径,从而提高倍率性能和长期稳定性。因而,合理设计和合成一个有趣的硬碳纳米结构,兼备异质原子掺杂、稳定中空多孔结构及较大的层间距等优点,用以显著提高储钾性能是非常必要的,同时也存在很大挑战。

近日,厦门大学王鸣生教授/张桥保副教授团队设计并合成了一种新型的N/P共掺杂空心碗状碳(N/P-HPCB),用作高性能PIBs的负极材料。N/P-HPCB负极材料具有在0.1 A g-1下,100次循环后458.3 mAh g-1的高可逆容量和出色的倍率性能(在4 A g-1下为215.7 mAh g-1),并且在2 A g-1的高电流密度下,经过1000次循环后拥有205.2 mAh g-1的非凡循环稳定性,超过了PIBs中大多数已报道的负极材料。通过结合原位TEM观察,非原位TEM和拉曼光谱,并结合DFT计算,揭示了N/P-HPCB电极的K +储存机理和优异性能的起源。N/P-HPCB的出色性能归因于N/P高含量双重掺杂,扩大的层间距,较多的缺陷和有效活性位点,以及超稳定的中空多孔碗状结构等综合优点。这项工作中的发现可以为高性能PIBs的碳基负极材料设计和机理探索提供启示。