碳纳米材料在钾离子电池中展现了较高的应用前景,但是碳材料中层间距范围较窄,使其在钾离子电池中的应用受到限制,北京大学郭少军等报道了由S/N掺杂的石墨烯纳米片组成的3D多孔碳材料,层间距为0.448 nm,并且具有丰富的边缘缺陷位点,在钾离子电池中展现了非常好的应用,50 mA/g中的可循环容量达到348.2 mAh/g,是目前报道中的最好结果。
本文要点:
(1)材料合成方法。三聚氰胺、三聚氰酸、F127通过自组装形成具有一定排列规律的中间体物种,随后通过热解方法得到N掺杂的碳纳米结构材料,随后在硫粉作用实现硫掺杂,分别在700 ℃,800 ℃,900 ℃中热解材料,结果显示改变煅烧温度后,层间距分别为0.368 nm, 0.422 nm, 0.386 nm。800 ℃中煅烧的样品显示大量N掺杂和边缘缺陷位点,因此层间距较大,900 ℃中煅烧的样品中碳有更高的石墨化程度。XPS结果显示800 ℃中煅烧的样品中N含量达到21.26 %,并且具有大量的吡咯氮(N5)和吡啶氮(N6)。Raman结果显示材料中ID/IG的值为1.11,进一步说明了较高的缺陷浓度。当对材料进行硫掺杂后,层间距进一步提高为0.448 nm,XPS的C谱中显示具有C-S-C型碳、sp2 C、sp3 C、C-N/C=O,π-π*几种峰,XPS中的S谱中显示C-S-C的峰和C-SOx-C的峰,同时硫化后的样品中N5和N6型的碳占比得以提高。
(2)循环性能结果显示在2000 mA/g能量密度中展现了204.3 mAh/g容量,在1000 mA/g能量密度循环2000次后仍保持了188.8 mAh/g的容量。密度泛函理论结果显示,S/N掺杂在边缘位点形成缺陷结构,提高了层间距,并改善了电池循环过程中的K+吸附性能。
参考文献
Wenxiu Yang, Jinhui Zhou, Shuo Wang, Zichen Wang, Fan Lv, Wenshu Zhang, Weiyu Zhang, Qiang Sun, Shaojun Guo*
3D Carbon Framework Constructed by N, S co-doped Graphene Nanosheets with Expanded Interlayer Spacing Facilitates Potassium-Ion Storage,ACS Energy Lett. 2020
DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00413
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00413