【材料科學(xué)站】南京工業(yè)大學(xué)王瑾教授課題組， CEJ觀點(diǎn)：擇優(yōu)工程化邊緣氮活性位點(diǎn)助力空心碳球?qū)崿F(xiàn)快速可逆的鉀存儲
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文章信息
擇優(yōu)工程化邊緣氮活性位點(diǎn)助力空心碳球?qū)崿F(xiàn)快速可逆的鉀存儲。第一作者：金思妍，梁培通訊作者：王瑾*單位：南京工業(yè)大學(xué)
研究背景
鋰離子電池(LIBs)由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成功地在便攜式電子產(chǎn)品和大型電動汽車上實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。然而，鋰資源需求的不斷增長和成本的上升大大阻礙了LIBs的發(fā)展。因此，探索具有豐富地殼資源的低成本電池是十分必要的。鉀離子電池(PIBs)由于資源豐富、成本低廉、氧化還原電位低而受到人們的廣泛關(guān)注。而在儲鉀過程中，大尺寸的鉀離子往往會引起巨大的體積變化和緩慢的反應(yīng)動力學(xué)。因此，尋找合適的電極材料，能夠很好地容納大尺寸的K+，實(shí)現(xiàn)快速可逆的K+存儲性能，是一個重要的挑戰(zhàn)，特別是負(fù)極材料。硬碳負(fù)極材料由于其較好的化學(xué)穩(wěn)定性，成本低廉，環(huán)境友好等優(yōu)勢，被認(rèn)為是一種極具前途的鉀離子電池負(fù)極材料之一。但是，硬碳材料的儲鉀性能依然受限于鉀離子嵌入/脫出過程中的巨大體積膨脹和緩慢動力學(xué)。
文章簡介
基于此，南京工業(yè)大學(xué)的王瑾教授 聯(lián)合中國計(jì)量大學(xué)梁培教授在知名期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表的題為“Preferentially Engineering Edge–Nitrogen Sites in Porous Hollow Spheres for Ultra–Fast and Reversible Potassium Storage”的研究工作。該工作通過結(jié)構(gòu)工程與N/P雙摻雜相結(jié)合的策略，獲得超高邊緣氮摻雜的空心多孔碳球（N/P-HPCS）。所開發(fā)的負(fù)極材料具有獨(dú)特的中空介孔結(jié)構(gòu)，優(yōu)先暴露出豐富的邊緣氮活性位點(diǎn)；額外的磷摻雜調(diào)節(jié)邊緣氮位點(diǎn)的價帶，有利于提升邊緣氮含量。中空多孔碳球結(jié)構(gòu)和超高邊緣氮（85.6%）的協(xié)同效應(yīng)，擴(kuò)大的層間距(0.412 nm)和豐富的活性位點(diǎn)，能夠有效增強(qiáng)表面吸附的鉀離子存儲。因此，所制備的N，P-共摻雜中空多孔碳球表現(xiàn)出相當(dāng)出色的可逆容量，優(yōu)異的倍率性能（193.0 mAh g-1在 4 A g-1下）和穩(wěn)定的循環(huán)能力（在 2 A g-1下，1500 次循環(huán)后保持率為63% ）。深入的電化學(xué)動力學(xué)分析證實(shí)了該N/P-HPCS電極的增強(qiáng)儲鉀機(jī)制主要?dú)w因于快速的贗電容機(jī)制。該工作為構(gòu)建高邊緣氮摻雜碳材料提供了一種可行的策略。
本文要點(diǎn)
要點(diǎn)一：構(gòu)筑N，P-共摻雜中空多孔碳球提升儲鉀性能該工作通過結(jié)構(gòu)工程與N/P雙摻雜相結(jié)合的策略，獲得超高邊緣氮摻雜空心多孔碳球。邊緣氮含量高達(dá)85.6%，N/P雙摻雜有利于擴(kuò)大層間距(0.412 nm)，較高的比表面積有利于增加活性位點(diǎn)，能夠有效增強(qiáng)表面吸附的鉀離子存儲。此外，碳球獨(dú)特的中空介孔結(jié)構(gòu)有利于緩解儲鉀時的體積膨脹、增加與電解液的接觸面積和縮短K+擴(kuò)散路徑。因此，所制備的N，P-共摻雜中空多孔碳球表現(xiàn)出優(yōu)異的儲鉀循環(huán)性能和倍率性能。
要點(diǎn)二：儲鉀機(jī)理和反應(yīng)動力學(xué)的分析通過一系列非原位測試手段研究了鉀離子的儲存機(jī)理，以及GITT和不同掃速下的CV測試顯示了N/P-HPCS在儲鉀過程中具有較高的擴(kuò)散系數(shù)和較高比例的表面主導(dǎo)儲鉀贗電容。DFT深入分析發(fā)現(xiàn)P摻雜調(diào)節(jié)邊緣氮水平，可以有效提高N/P?HPCS的K吸附能力和電子結(jié)構(gòu)，從理論上揭示了N/P?HPCS增強(qiáng)鉀離子存儲能力的機(jī)理。
要點(diǎn)三：組裝N/P-HPCS//AC用于鉀離子混合電容器以商業(yè)活性炭為正極，以N/P?HPCS為負(fù)極組裝成鉀離子混合電容器。該電容器表現(xiàn)出的113.03 Wh kg-1/12.33 kW kg-1的能量/功率密度。
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Preferentially Engineering Edge–Nitrogen Sites in Porous Hollow Spheres for Ultra–Fast and Reversible Potassium Storage，Siyan Jin, Pei Liang, Yuting Jiang, Huihua Min, Mengmeng Niu, Hao Yang, Rongguo Zhang, Jiaxu Yan, Xiaodong Shen, Jin Wang*, https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134821