成果簡介
碳質材料被認為是鉀離子電池的潛在負極候選者。然而，經典碳材料的倍率效能和迴圈穩定性仍遠不能令人滿意。本文，華南理工大學 吳松平、嚴玉蓉等研究人員在《Batteries & Supercaps》期刊發表名為“Sulfur/Nitrogen Co-Doped In-Plane Porous Carbon Nanosheets as Superior Anode of Potassium-Ion Batteries”的論文，研究利用一種簡便且低成本的策略來精確合成具有魚網狀微結構的硫/氮共摻雜麵內多孔碳奈米片（SN-CNSs）。精心設計的面內多孔結構和相互連線的碳片網路可以加速鉀離子的擴散，緩解體積膨脹，並提供足夠的活性位點。結果，SN-CNSs在4500次迴圈後以1Ag -1的電流密度提供了令人印象深刻的 248mAhg-1的可逆容量，以及137.3mAh g -1的優異倍率容量. 密度泛函理論 (DFT) 計算進一步驗證了 S/N 共摻雜在 SN-CNSs 材料中K離子吸附/擴散中的優勢。如此優異的效能表明SN-CNSs具有成為鉀離子電池優良陽極的巨大潛力。
圖文導讀
圖1、a) SN-CNS製備示意圖。b) SN-CNSs的SEM 影象。c, d) SN-CNSs的TEM影象（插圖：SAED 圖案）。e) HRTEM 影象和 f-j) SN-CNS的C、O、N和S元素對映。
圖2、結構表徵。
圖3、a) SN-CNSs電極在0.1mVs -1掃描速率下的CV曲線。
b) SN-CNS在 100mAg -1下的恆電流充電/放電曲線。
c) SN-CNS 的速率能力。
d) SN-CNSs 的倍率效能與文獻報道的PIBs碳質負極材料的比較。
e) SN-CNS和對照樣品在0.1Ag-1下啟用5個迴圈後在 1Ag-1下的長期迴圈效能。
圖4、SN-CNS 的動力學分析
圖5、a) TEM 影象，b) 在 1Ag-1下1000次迴圈後SN-CNS的HRTEM 。
c-d）具有不同狀態放電和充電的 SN-CNSs 的非原位拉曼光譜。
e-f）具有不同放電和充電狀態的SN-CNSs 的非原位XRD圖譜。
圖6、a） 魚網狀微結構碳系統的晶體模型。b） 從扁平碳扭曲到彎曲碳導致極化的示意圖。c） 一個K原子吸附在魚網狀彎曲碳的邊緣位置。d） K原子吸附在S缺陷周圍。e） K原子吸附在N缺陷周圍，f）K原子吸附在S/N缺陷周圍。灰色部分雙鍵代表碳平面，藍色、黃色和紫色球體分別代表N、S和K原子。
小結
已採用一種簡便且低成本的策略來生成具有互連碳薄片網路、平面內多孔和硫/氮共摻雜的碳奈米片。多尺度模板和低溫石墨化的結合導致了多尺度和多鍵的部分石墨化碳。獨特的結構可以加速鉀離子的擴散，緩解充放電過程中的體積膨脹，並提供足夠的活性位點來提高鉀離子的吸附能力。DFT計算進一步驗證了S/N共摻雜在SN-CNSs材料中K離子吸附/擴散的優勢。如此優異的效能表明SN-CNSs具有成為鉀離子電池優良陽極的巨大潛力。
文獻：
https://doi.org/10.1002/batt.202100379
