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欧洲成在人线a免费视频:孙靖宇课题组Advanced Functional Materials: 温度调控石墨炔材料助力钾离子高效存储

发布者:金霞发布时间:2020-06-12浏览次数:17

近日,欧洲成在人线a免费视频欧洲成在人线a免费视频、欧洲成在人线a免费视频——北京石墨烯研究院协同创新中心的孙靖宇教授团队在新型碳材料合成及相应的钾离子储能体系领域取得重要进展——“温度调控石墨炔材料助力钾离子高效存储Full paper的形式在Advanced Functional Materials上发表。欧洲成在人线a免费视频博士生易雨阳、北京石墨烯研究院博士后李加强博士、中国石油大学赵文副教授为论文的共同第一作者;孙靖宇教授,张锦院士和刘忠范院士为通讯作者。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202003039

为了解决锂资源短缺及分布不均匀的问题,寻找一种可替代碱金属电池体系刻不容缓。其中金属钾在地球含量丰富,价格低廉,标准电极电势非常接近于锂,且在有机电解液中具有较快的迁移率,从而成为强有力的候选者。随着2015年商用石墨的储钾能力得到证实,纳米碳材料作为钾离子电池负极材料的研究呈快速增长趋势。但是,由于钾具有较大的原子半径,导致其动力学缓慢,同时嵌入/脱出时容易造成电极体积膨胀,导致电池的循环性能和倍率性能大大降低。因此,发展新型、廉价、具有广阔应用前景的碳负极材料具有重要意义。

石墨炔作为一种碳的同素异形体,具有大量的乙二炔键和均匀分布的“大三角”孔隙结构,使得钾离子不仅能够在层与层之间迁移,还能在层间垂直穿梭。研究团队从石墨炔材料的结构入手,首先通过理论计算确定了钾离子的吸附位点和存储过程中的传输路径(1),并且评估得出了石墨炔储钾的理论容量(620 mAh g?1)相较于石墨(279mAh g?1)得到了很大提升。这对于后续石墨炔的制备及储钾性能的探索具有指导作用。

1: 理论计算分析石墨炔储钾行为 

拉曼光谱、红外光谱、X射线光电子能谱和氮气吸脱附(比表面积测试)等表征充分证明了石墨炔材料的结构:大量炔键的存在以及特殊的微孔、中孔共存的纳米结构。通过温度的调控能够有效去除石墨炔表面的有机杂质,从而大大提升所获得的石墨炔材料的导电性,促进电化学性能。从半电池的倍率性能和循环稳定性的结果可以很好地佐证(图2)。

2: 钾离子电池倍率和循环性能测试 

进一步地,结合动力学分析、原位拉曼光谱和间位XPS/TEM测试发现,石墨炔储钾的容量主要来源于对钾离子的表面吸/脱附及钾离子的嵌入脱出,且具有良好的可逆性(图3)。

3: 动力学测试及储钾机制分析

亮点与展望:1)对新型碳材料石墨炔的可控批量制备,有巨大的储能应用前景;2)石墨炔独特大三角孔洞结构有利于钾离子层间和层内的快速传输,提高电池的倍率性能;3)本工作首次对石墨炔的储钾性能进行研究,获得较为优异的比容量值和循环稳定性;4)采用温度调控的策略快捷方便,易于实施;5)储钾机制的分析进一步加深对石墨炔储钾电化学行为的认识,有利于未来电极材料制备的工艺优化。

本工作首次对石墨炔的储钾行为及机制进行相关探索;为解决传统碳材料比容量低、倍率性能差的问题提供了新的解决方案,具有良好的实际应用前景。


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