Advanced Energy Materials:三维硅取代石墨炔展现优异锂、钠、钾存储性能

随着电动汽车的快速发展,高容量、高稳定性的可充电电池受到了公众的广泛关注。为了开发新型高效电池,探索新型电极材料被认为是最有前景的途径之一。目前有许多材料如石墨烯、石墨炔、COFs、MOFs、聚合物、金属配合物等,已经作为有潜力的电极材料被开发研究。然而,对于不同种类的碱金属如Li、Na和钾K,由于这些离子的直径和性质不同,很少有材料可以同时适应并作为锂离子电池(LIBs)、钠离子电池(NIBs)、钾离子电池(KIBs)的电极材料。通过对材料的化学成分和空间构型进行预先设计,使其具有丰富的存储空间和有效的扩散路径,将会是实现开发制备多功能储能材料的有效途径。

中科院化学所李玉良院士、中科院青岛能源所黄长水研究员,开发了一种硅原子取代的三维石墨炔材料(Si-DY),这种硅取代石墨炔材料具有明确的骨架构造,是由sp3杂化的Si原子通过直线型丁二炔键链接构成的稳定三维类金刚石骨架。这种硅取代石墨炔具有丰富多样的离子存储位点和传输通道,在碱金属离子如Li、Na、K的存储方面均表现出了优异的性能。

硅取代石墨炔中具有大量的炔键,丰富多样的三维孔道构造和良好的导电性。三维类金刚石骨架保证了硅取代石墨炔的稳定性,大量的炔键提供了丰富的活性储存位点,同时,均匀的多孔构造为碱金属离子的扩散提供了优质的通道。这些特点确保硅取代石墨炔在多功能负极方面具有巨大的应用潜力。理论计算表明,硅取代石墨炔具有超高的Li、Na、K理论存储容量,分别为3674、2810和1945 mAh/g。进一步的应用研究表明,硅取代石墨炔作为LIB、NIB、KIB的负极材料表现出优异的电化学性能,包括高的可逆容量(用于LIB、NIB和KIB,在电流密度为50 mA/g时分别达到2350、812和512 mAh/g)、优异的倍率性能(在5000 mA/g时,容量为980 mAh/g)和超长的循环稳定性(在5000 mA/g的电流密度下可以稳定循环5000次)。此外,以硅取代石墨炔作负极制备的柔性电池,同时展现了硅取代石墨炔薄膜具有良好的柔韧性。这些果表明,硅取代石墨炔作为一种多功能的富炔材料在储能方面具有巨大的应用潜力。

论文信息:

Porous 3D silicon-diamondyne blooms excellent storage and diffusion properties for Li, Na, and K ions

Ze Yang, Yuwei Song, Chunfang Zhang, Jianjiang He, Xiaodong Li, Xin Wang, Ning Wang, Yuliang Li*, Changshui Huang*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202101197

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101197?af=R