中科大章根强教授EnSM：同步调控碳材料中阴阳离子吸附动力学，实现具有优异循环稳定性的钾离子混合电容器- 大数跨境

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中科大章根强教授EnSM：同步调控碳材料中阴阳离子吸附动力学，实现具有优异循环稳定性的钾离子混合电容器

科学材料站

2022-01-04

导读：该文章协同调控了碳材料中阴阳离子吸附动力学，实现碳材料在高性能KIHCs中的双功能应用，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。

文章信息

协同调控碳材料中阴阳离子吸附动力学，实现具有优异循环稳定性的钾离子混合电容器

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

研究背景

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过去几十年中的发展。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，钾离子较大的半径造成了阳极端缓慢的离子存储动力学，这进一步加剧了KIHCs中正负极间的动力学失配问题，引起诸如能量密度降低，循环寿命缩减等问题，导致KIHCs的整体性能较差。

文章简介

基于此，来自中国科学技术大学的章根强教授课题组和贵州师范学院特聘教授王文涛老师合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Concunrent Manipulation of Anion and Cation Adsorption Kinetics in Pancake-like Carbon Achieves Ultrastable Potassium Ion Hybrid Capacitors”的研究文章。

该文章协同调控了碳材料中阴阳离子吸附动力学，实现碳材料在高性能KIHCs中的双功能应用，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.PN-PanC的制备流程示意图

本文要点

要点一：薄饼状碳材料实现K+/FSI-离子双功能存储

在本文中，作者成功地制备出一种双功能多级多孔P/N共掺杂薄饼状碳材料(PN-PanC)，其表现出优异的K+/FSI−存储性能。

具体地，PN-PanC作为负极时具有高比容量(在100 mA g⁻¹为385.8 mAh g⁻¹)和稳定的循环性能(在1000 mA g⁻¹循环2000次的平均衰减速率为0.21 ‰)；PN-PanC作为正极时也表现出卓越的比容量(在100 mA g⁻¹为94.2 mAh g⁻¹)。

要点二：理论与实验相结合探究存储原理

通过非原位XPS、原位Raman、EIS分析和DFT计算，作者系统地研究了PN-PanC电极具有同时增强K⁺/FSI⁻存储性能的起源，其可归功于多级多孔结构、暴露的活性中心、调控的电子结构和增强离子吸附动力学的协同作用。

图2. 首圈中，PN-PanC K⁺/FSI^-离子存储机理

要点三：双功能应用实现高性能KIHCs

使用PN-PanC同时作为KIHCs的正极和负极，所组装出的KIHCs器件表现出高能量密度(在76.1 W kg⁻¹为155.9 Wh kg⁻¹)和高功率密度(11309.1 W kg⁻¹)，以及超长的循环寿命(在500 mA g⁻¹电流密度下循环20K次之后，仍表现出高达93.4%的容量保持率)。

文章链接

“Concunrent Manipulation of Anion and Cation Adsorption Kinetics in Pancake-like Carbon Achieves Ultrastable Potassium Ion Hybrid Capacitors”

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721006292

通讯作者简介

章根强教授

中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，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。分别于2004年和2009年在中国科学技术大学获得学士和博士学位，2009年-2011年于普渡大学化工学院从事博士后研究，2011年-2014年在新加坡南洋理工大学/TUM-CREATE研究中心从事博士后研究，2014年-2016年在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室从事主任学者博士后研究, 2016年加入中国科学技术大学，建立能源纳米材料实验室。

章教授致力于先进功能纳米材料的优化合成及其在能源器件中的应用研究，近期主要从事的研究方向包括能源存储器件电极材料的应用研究，高性能电催化剂的设计合成和新颖复合纳米结构在能源存储与转换领域中的应用研究，并一直致力于推动相关研究产业化进展。已发表超过100篇SCI科学论文，被引用次数超过8,600次，H因子=41，其中包括Sci. Adv., Nat. Comm., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Letter, Energy Storage Mater., Appl. Catal. B-Environ等高水平杂志。作为发明人申请7 项美国和中国发明专利，其中授权5项。现任Wiley出版社InforMat 期刊、Nano Research期刊青年编委、中国材料研究学会先进无机材料分会理事。