研究背景

由于成本低、鉀儲量豐富、氧化還原電位低、離子轉(zhuǎn)移動力學快等優(yōu)勢，鉀基儲能裝置，特別是鉀離子電池（PIBs），被認為是鋰離子電池最有前途的替代品之一。碳質(zhì)陽極具有成本低、結(jié)構(gòu)靈活和理化穩(wěn)定性高等特點，其可以通過吸附誘導的電容行為和擴散控制的插層過程來可逆地儲存鉀。缺陷工程被認為是調(diào)節(jié)碳材料速率容量和循環(huán)穩(wěn)定性的有效手段之一。

然而，目前的大部分研究都集中在雜原子摻雜的外部缺陷上，而忽略了由于原子損失或晶格變形引起的本征碳缺陷（如邊緣位點和空隙或孔隙）對儲鉀的影響。有鑒于此，河北科技大學王波、李昭進團隊以葡萄糖為碳源，在軟模板的輔助下，可控地合成了一系列本征缺陷豐富的碳材料，探究了碳化溫度和模板對本征缺陷比例的影響，揭示了本征缺陷程度與容量/容量保持率之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機制。相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊Advanced Functional Materials上。

圖文導讀

碳材料的制備與微觀形貌

分別以葡萄糖、嵌段共聚物F127、1, 3, 5-三甲基苯為碳源、軟模板和孔隙膨脹劑，通過自組裝、聚合、高溫碳化過程，即可得到不同本征缺陷含量的類碗狀碳。通過HRTEM可以觀察到不同碳化溫度下高度無序的微觀結(jié)構(gòu)。

碳材料的本征碳缺陷

通過XPS數(shù)據(jù)分峰得到的sp3 C峰占比可以發(fā)現(xiàn)，800℃碳化得到的碳材料sp3 C峰占比最高，表明樣品中本征碳缺陷含量占比最高，拉曼數(shù)據(jù)處理得到的ID1/IG比值，以及EPR測試得到的洛倫茲線寬、峰強度結(jié)果都很好地佐證了上述結(jié)論。

碳材料的電化學性能

本征碳缺陷濃度最高的碳材料（ECM-800）展現(xiàn)了最大的電化學比容量和容量保持率，且在多次循環(huán)后，界面轉(zhuǎn)移電阻上升最緩慢。通過線性擬合發(fā)現(xiàn)，比容量、容量保持率與本征缺陷程度（ID1/IG）呈線性正相關(guān)。

碳材料的儲鉀機制和鉀離子全電池性能

通過異位拉曼分析充/放電過程中ID1/IG值變化發(fā)現(xiàn)，放電過程中，ID1/IG值從1.3逐漸減小至1.02，表明大量本征缺陷位點被鉀離子占據(jù)。在隨后的充電過程中，ID1/IG恢復到初始值，表明鉀離子吸附存儲具有高度可逆性。異位XPS測試得到的sp3 C峰占比變化也證實了上述鉀存儲機制。在鉀離子全電池中，ECM-800展現(xiàn)了不錯的電化學容量（54 mAh g-1）和優(yōu)異的庫倫效率（3000次循環(huán)，庫倫效率維持在98%）。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202208966

審核編輯：劉清