厦门大学王鸣生课题组:非晶及石墨化碳协同耦合完成疾速波动的钾离子存储

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弁言



钾具有资源丰厚(地壳储量约2.09 wt%)、本钱昂贵、电极电势低(-2.93 V)的特点,因而钾离子电池被以为是下一代低本钱储能系统之一。在浩繁负极候选质料中,碳因其本钱低、情况友爱以及泉源丰厚的特点,在钾离子电池范畴取得了普遍的使用。此中,碳的两种同素异形体,石墨化和无定形碳在钾电系统中各有优劣:石墨化碳具有较高的离子电导率,通常体现出较高的倍任性能,但其循环波动性一样平常较差;而无定形碳布局波动性优秀,但由于离子电导率较差,无定形碳的倍任性能明显低于石墨化碳。因而,整合石墨和无定形碳的好处,使其同时具有高离子电导率和高布局可逆性,是设计兼具高倍任性能和循环波动性的碳质电极的无效手腕。




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效果展示

近期,厦门大学王鸣生课题组设计了一种在无定形碳管外部封装石墨化碳网络的碳基复合质料(HG-CNTs)。在该事情中,外部石墨化碳网络提供了疾速的钾离子传输通道,而内部无定形碳层包管了循环历程中全体布局的波动性。分外是,本文还使用原位透射电镜技能,及时察看了高电流密度下石墨化碳和无定形碳差别的钾传输举动,证明白石墨化碳关于离子传输的促进作用。该论文以“Synergistic coupling of amorphous carbon and graphitic domains toward high-rate and long-life K+ storage”为题宣布在期刊Journal of Energy Chemistry上。论文第一作者为课题组博士生张贺贺,王鸣生传授为通讯作者。




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图文导读

图1展示了两种差别的碳质料的布局图,辨别是无定形碳外部封装石墨化碳网络的复合碳质料(HG-CNTs,图1b-g)和无定形碳管(H-CNTs,图1h-j)。EDS图片证明白两种质料具有类似水平的杂原子掺杂。

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图1. (a)HG-CNTs的分解表示图;(b-g)HG-CNTs的SEM,TEM和EDS图;(h-j)H-CNTs的TEM和EDS图。




使用原位透射电镜,作者察看了两种碳纳米管差别的钾化举动。经盘算,在原位嵌钾历程中,流过碳纳米管的电流密度高达56 mA cm−2。如图2a所示,由于钾在无定形碳中传输较慢,在高电流密度下钾化一段工夫后,碳管下端呈现了分明的钾累积,即有部份钾不克不及被实时传输到上端。而在参加了外部石墨化网络后,如图2b所示,钾可以被疾速地通报到碳管上端且没有呈现累积征象。两种碳管差别的钾化征象可视化地证明白石墨化碳关于疾速钾离子传输的紧张性。别的,图2e比拟了多组HG-CNTs和H-CNTs的离子传输速率。显然,HG-CNTs具有更快的钾离子传输速率。

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图2. (a)H-CNTs和(b)HG-CNTs的初次嵌钾表示图;(c)两种质料差别的离子转移方法表示图;H-CNTs和HG-CNTs的(d)钾化前后直径变革和(e)离子传输速率。




图3展示了HG-CNTs和H-CNTs的电凯发功能。如图3d所示,两种电极在0.1 A g−1电流密度下容量靠近,但在电流密度降低到2 A g−1时,HG-CNTs电极仍具有184.5 mA h g−1的容量,而H-CNTs的容量降落分明,仅有136.3 mA h g−1。显然,HG-CNTs电极具有更好的倍任性能。别的,在1 A g−1的大电流下循环3000次后,HG-CNTs的容量仍能坚持在191.6 mA h g−1,简直没有容量衰减,体现出优秀的循环波动性。

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图3. (a)HG-CNTs在0.1 mV s−1的CV图;(b)HG-CNTs和H-CNTs在0.1 A g−1 电流下的循环功能;(c)HG-CNTs的循环曲线;(d)两种电极的倍任性能;(e)HG-CNTs的倍率曲线;(f)功能比拟图;(g)HG-CNTs和H-CNTs在1 A g−1 电流下的循环功能。



图4的非原位Raman和TEM表征进一步证明白HG-CNTs电极精良的可逆性以及布局波动性。

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图4. (a,b)HG-CNTs的非原位Raman光谱图和对应的ID/IG变革图;(c-h)HG-CNTs在差别形态下的TEM和HRTEM图;(i-k)HG-CNTs循环3000次后的TEM和HRTEM图。




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小结

本文制备了一种无定形碳和石墨化碳耦合的碳基复合质料。此中,石墨化碳网络提供了疾速的钾离子传输通道,而无定形碳层包管了循环历程中全体布局的波动性,两者配合作用使得复合电极兼具高倍任性能和循环波动性。该事情为设计先辈的钾离子电池负极质料提供了新的思绪。




文 章 信 息

Synergistic coupling of amorphous carbon and graphitic domains toward high-rate and long-life K+ storage


Hehe Zhang, Wangqin Li, Jianhai Pan, Zhefei Sun, Bensheng Xiao, Weibin Ye, Chengzhi Ke, Haowen Gao, Yong Cheng, Qiaobao Zhang, Ming-Sheng Wang*


Journal of Energy Chemistry

Doi: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2022.07.004




通 讯 作 者 简 介

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王鸣生,厦门大学质料学院传授。国度级高条理青年人才,天下百篇良好博士论文奖取得者,福建省“闽江学者”特聘传授。次要研讨兴味:(1)原位电镜表征及精准纳米/原子制造技能,(2)高功能储能质料与器件的设计和表征。在国际主流期刊上宣布论文100多篇,包罗Nature, Nat. Commun., Adv. Mater., Mater. Today, Angew, AEM, AFM, Nano Lett., ACS Nano, ACS Energy Lett.等。代表性效果:(1) 首创了TEM纳米增材、减材和等材制造的观点并开展了成套技能办法; (2) 开展了“仿真”式原位电镜表征办法,体系展现了限域空间中各种储能电极质料的演化机理。课题组网站http://mswang.xmu.edu.cn




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