EcoMat:超小空心碳纳米粒子实现金属钾密集堆积存储

钾离子电池(PIBs)由于丰富的钾资源和与锂/钠离子电池相似的性能而被广泛关注。更为重要的是,K+的氧化还原电位低于Na+,接近于Li+,因此PIBs可以在高压下工作并可以提供较高的能量密度。硬碳材料由于密度低、层间距大等优点在钾离子电池中的电化学性能要优于石墨,并且其来源广泛,成本低,在储钾过程中硬碳电极的结构稳定。但是由于K+的半径较大,硬碳材料提供的K+储存活性位点有限,造成比容量低和倍率性能差等问题,严重制约了PIBs的发展。然而,凡事都有两面性,虽然K+的插层和吸附是有限的,但是大半径K+更容易受体积效应影响更容易被碳束缚,就像用手握着沙子,沙子会从指缝间流走,但是握着石头,石头就会被很好地被束缚住。受此启发,是否可以利用空间效应,通过纳米结构工程来实现金属钾的密集存储?这样电池容量将会大大提高。

为了解决这些问题,东北师范大学李鹿副教授、王春刚教授等设计合成了由超小空心碳纳米颗粒(7 nm)组成的碳纳米团簇(简称HNPCNCs)来将钾束缚其中并实现金属钾的密集存储。在PIBs中,其具有高的比容量(在0.5 A/g下循环200次后容量为269.8 mAh/g),优异的倍率性能(在1 A/g和2 A/g下循环时1000次后容量分别为220.1 mAh/g和188.4 mAh/g)和超长循环寿命(在5 A/g下循环5000次后容量可保持为150.4 mAh/g)。更为重要的是,HNPCNCs-800//普鲁士蓝钾离子全电池在在0.1 A/g和0.5 A/g下循环200次后容量分别可达到317.7 mAh/g和187.7 mAh/g。将钾束缚在设计的空间中,实现金属钾的紧密堆积存储,将为碳材料在PIBs中的使用提供机会。

论文的第一作者为东北师范大学博士生刘炳求、张琪,通讯作者为李鹿副教授、王春刚教授。

论文信息:

Closepacked storage of potassium metallic clusters achieved through nanostructure engineering of ultrafine hollow nanoparticlesbased carbon nanoclusters

Bingqiu Liu, Qi Zhang, Lu Li*, Lingyu Zhang, Zhanshuang Jin, Chungang Wang*, Zhongmin Su

EcoMat

DOI: 10.1002/eom2.12105