中科大章根强团队钾电负极新进展Small：可调氮掺杂盘状碳材料的制备及其储钾性能研究

第一作者：王功瑞、王文涛教授

通讯作者：章根强教授*

单位：中国科学技术大学

随着社会对能源短缺和环境保护问题的日益关注以及传统能源结构的转型，极大地推动太阳能和风能等绿色能源体系的开发，从而进一步促进电化学储能装置在的发展。其中，钾离子混合电容器(KIHCs)因其具有高能量/功率密度、高自然丰度、低成本等优点，成为最有前景的大规模储能体系之一。然而，半径较大的钾离子导致了电池型负极材料缓慢的离子存储动力学，加剧了KIHCs中正负极间的动力学失配，进一步导致诸如能量密度降低，循环寿命缩减等问题。

基于此，来自中国科学技术大学的章根强教授课题组，在国际知名期刊Small上发表题为“Tailoring Nitrogen Species in Disk-Like Carbon Anode Towards Superior Potassium Ion Storage”的研究文章。该文章通过加入具有电化学储钾活性的金属锡实现了碳材料中氮/磷杂原子含量与稳定性的提升，获得了优异的钾离子存储性能，所组装成的KIHCs表现出良好的循环稳定性和功率/能量密度，并通过理论与实验相结合的方式探究了该碳材料的储能机理。

图1. P/N_Sn-CD材料制备过程和应用示意图。

在本文中，作者成功地制备出一种堆叠疏松的锡改性磷氮共掺杂盘状多孔碳材料（P/N_Sn-CD），通过简易改变锡的含量，实现P/N_Sn-CD中磷氮杂原子含量与稳定性的协同调控，实现优异的钾离子存储性能。具体地，P/N_Sn-CD表现出高可逆比容量（439.3 mAh g^-1，0.1 A g^-1），高容量保持率（94.5%，500圈，0.1 A g^-1）和长循环稳定性（5000圈，平均衰减率0.3%/每圈，5 A g^-1）。

图2 P/N_Sn-CD和P/N-CD材料的形貌和微观结构表征。P/N_Sn-CD材料的A）FESEM、B-D）TEM和HRTEM图；P/N_Sn-CD和P/N-CD材料的E）XRD谱图和F）拉曼谱图；G）P/N_Sn-CD材料的元素面分布图。

要点二：理论与实验相结合探究存储原理

基于非原位XPS、EIS分析和DFT计算，作者系统研究了P/N_Sn-CD电极优异K⁺存储性能的内在机理。通过非原位XPS和理论计算结合证明锡的引入可有效提升P/N_Sn-CD中氮/磷杂原子在储钾和脱钾的过程中的稳定性和可逆性。理论计算和EIS分析结果表明锡的引入可以提升P/N_Sn-CD的电子导电性、钾离子吸附和扩散动力学。

图3 P/N_Sn0.5-CD负极K⁺存储机理的研究。A）原始状态、完全钾化状态、完全去钾化状态的非原位高分辨率XPS谱图，B）基于XPS完全钾化状态下结合能位移对比；不同构型下的理论计算：单个钾原子吸附在C）PC、D）PNC、E）SnPNC的俯视图和对应的ΔEa值；F）Nyquist图，G）基于EIS的钾离子扩散系数计算和H）不同构型的DOS对比。

要点三：双功能应用实现高性能KIHCs

使用P/N_Sn0.5-CD负极与活性炭正极匹配组装成的KIHCs，表现出高能量密度(171.7 Wh kg⁻¹，106.8 W kg^-1)和高功率密度(14027.0 W kg^-1，31.2 Wh kg^-1)，以及超长的循环寿命(在2 A g⁻¹电流密度下循环30K次之后，仍表现出高达89.7%的超高容量保持率)，表现出极大的实际应用的前景。

图4 P/N_Sn0.5-CD//AC KIHCs的示意图和电化学性能。A）示意图，B）不同扫速下的CV曲线，C）不同电流密度下的充放电曲线，D）倍率性能，E）Ragone图，F）循环性能，G）P/N_Sn0.5-CD//AC器件与已报道KIHCs的循环稳定性对比。

章根强教授，中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，合肥微尺度物质科学国家研究中心双聘研究员，国家高层次人才计划入选者。

2016年05月-至今：教授，博士生导师，中国科学技术大学化学与材料科学学院

2014年05月-2016年04月：主任学者博士后，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室

2011年11月-2014年04月：博士后，新加坡南洋理工大学

2009年10月-2011年10月：博士后，美国普渡大学化工学院

2004年09月-2009年07月：博士，中国科学技术大学

2000年09月-2004年07月：学士，中国科学技术大学

目前已在Sci. Adv., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy & Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Energy Storage Mater., Appl. Catal. B Environ., 等学术刊物上发表110余篇研究论文，被引用9600余次，H因子43。

本课题组致力于先进功能纳米材料的设计合成及其在能源存储与转换器件中的应用研究，近期主要围绕以下三个研究方向开展工作：

1. 新颖复合微纳结构在能源存储与转换器件中的应用研究，包括储能电池，电催化以及光催化等。

2. 先进纳米结构高性能电催化剂及其应用，包括电解水制氢，金属空气电池，燃料电池，二氧化碳还原以及电化学重整等。

3. 下一代新型储能器件相关的电极材料研究，包括钠离子电池，钾离子电池，混合电容器及双离子电池等。

课题组主页：http://zhanglab.ustc.edu.cn

“Tailoring Nitrogen Species in Disk-Like Carbon Anode Towards Superior Potassium Ion Storage”

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