余彦/陆俊/吴忠帅等AM：小分子Se@豆荚状氮掺杂碳纳米纤维储钾性能的研究- 大数跨境

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余彦/陆俊/吴忠帅等AM：小分子Se@豆荚状氮掺杂碳纳米纤维储钾性能的研究

科学材料站

2020-12-03

导读：该工作将小分子Se嵌入独立的N掺杂多孔碳纳米纤维薄膜（Se@NPCFs）作为正极，制备了一种柔性K-Se电池，并采用实验和计算两种方法研究了K-离子在Se正极中储存机制。

文章信息

小分子Se@豆荚状氮掺杂碳纳米纤维储钾性能的研究

第一作者：Rui Xu

通讯作者：余彦，陆俊，吴忠帅

单位：中国科学技术大学，美国阿贡国家实验室，中科院大连化物所

研究背景

深入了解先进电池材料的基本机理，是实现高效材料设计、优化性能的前提。近年来，由于钾资源丰富，K/K+的氧化还原电位比Na/Na+低，使钾离子电池（KIBs）在大规模储能中具有潜在的应用前景，因此开发高性能KIBs的工作得到了广泛的关注。

与Li+/Na+相比，K+的Lewis酸性较弱，这使得溶剂化离子更小，可以改善电解质/电极界面的扩散。此外，硒因其优异的电子导电性和与碳酸盐基电解质的电化学相容性以及固有的高比重量容量（675 mAh g−1）和体积容量（3253 mAh cm−3）而成为KIBs正极的一个有吸引力的候选材料。因此，与传统的插层正极相比，K-Se电池具有更高的能量密度。然而，由于中间多硒化物的溶解和迁移以及充放电过程中的大体积膨胀，使得其电化学性能差强人意。

目前K-Se电池尚处于早期研究阶段，只有极少数关于正极开发的报道，其容量和循环寿命有限，而且这种新型电池所涉及的电化学反应机理尚且不清楚。为此，开发高性能电极并阐明其钾离子储存机制具有重要意义，特别是当涉及到高活性K和那些化学性质不稳定的多硒化物作为瞬态中间体的实时表征时。

文章简介

近日，中科大余彦教授，美国阿贡国家实验室陆俊教授，中科院大连化物所吴忠帅研究员在国际期刊Advanced Materials 上发表题为“Unraveling the Nature of Excellent Potassium Storage in Small‐Molecule Se@Peapod‐Like N‐Doped Carbon Nanofibers”的研究工作。

该工作将小分子Se嵌入独立的N掺杂多孔碳纳米纤维薄膜（Se@NPCFs）作为正极，制备了一种柔性K-Se电池，并采用实验和计算两种方法研究了K-离子在Se正极中储存机制。该工作提供了一种通过结构工程和Se化学处理来优化K-Se电池性能的实用策略

本文要点

要点一：本文采用独立的小分子Se@豆荚状 N掺杂多孔碳纳米纤维设计了一种类似薄膜的KIB正极(表示为Se@NPCFs)。复合电极的独特结构具有以下优点。首先，纤维中具有周期性大孔的一维豆荚状结构有助于电解质渗透和K+扩散，从而缓解浓度极化。第二，丰富的微/中孔可以增加Se的质量负载，缩短离子扩散距离，并缓冲体积膨胀。第三，在密度泛函理论（DFT）计算的支持下，N掺杂大大增强了碳基体和放电产物之间的化学亲和力。

要点二： 研究发现，孔约束和N掺杂的协同作用使Se@NPCF在碳酸盐电解液中具有优异的性能。其在50 mA g−1下50次循环的容量为635 mAh g−1，Se利用率高达94.1%。此外，在0.5 A g−1的大电流密度下，即使在1670次循环后，其可逆容量仍高达367 mA h g−1，表现出优异的循环稳定性。

要点三：含Se@NPCF薄膜的电池具有优异的机械柔韧性，在柔性K-Se电池中具有广阔的应用前景。更重要的是，Se@NPCF中的“全固态”两相反应在K-Se化学中占主导地位，而不是传统的一步转化机理，即可溶中间相。而NPCF中丰富的短链Se2可以改善反应动力学，消除高阶多硒化物(K2Sen，3≤n≤8)的形成，从而显著提高Se的利用。

文章链接

Unraveling the Nature of Excellent Potassium Storage in Small-Molecule Se@Peapod-Like N-Doped Carbon Nanofibers

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003879

通讯作者介绍

余彦，中国科技大学教授博导。

2006年获得中国科学技术大学博士学位，2011年，入选中组部首批青年千人。先后在美国（Florida International University）和德国马普固体研究所（Max Planck Institute for Solid State Research）从事科学研究工作。主要研究方向为高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计、合成及储能机制。目前在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nano Lett., Energy Environ. Sci., 等国际著名期刊上发表论文100余篇，其中有10余篇入选ESI高引频论文，相关文章被Nature, Angew. Chem. Int. Ed., Materials Views China等作为Highlight和封面文章报道。现兼任英国皇家化学会旗下期刊RSC Advances副主编。

吴忠帅，中国科学院大连化学物理研究所，博导。

吴忠帅研究员主要从事二维材料与高效电化学能源创新系统的应用基础研究，在石墨烯、二维能源材料、柔性微型储能器件及微系统集成、高比能电池与超级电容器等方面取得了系统性的创新成果。迄今为止，在Energy Environ. Sci.（3篇）、Adv. Mater.（12篇）、J. Am. Chem. Soc.（8篇）、Nat. Commun.（2篇）、ACS Nano（15篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）、Adv. Energy. Mater.（4篇）、Adv. Funct. Mater.（7篇）、Nano Energy（5篇）、Natl. Sci. Rev.（2篇）、Adv. Sci.（2篇）等SCI国际知名期刊发表学术论文139篇，其中，第一/通讯作者论文共99篇（其中通讯作者73篇），影响因子大于10的论文75篇，邀请综述和展望论文21篇；所有文章被SCI他引21000余次，26篇论文入选ESI高被引论文（详见附件），一篇论文入选“近十年中国十大高被引论文（2006-2016）”，H因子为50；撰写题名为“Innovations in Engineered Porous Materials for Energy Generation and Storage Applications”、“Nanocarbon-Inorganic Hybrids”书籍的部分章节;申请国家发明专利47项（其中国际专利3项、授权专利6项）；申请国际标准1项、国家标准2项；承担中组部、科技部、基金委、中科院、辽宁省及企业等项目23项。

主要研究方向：

1. 高质量石墨烯的制备、组装和应用

2. 其他新型二维能源材料

3. 高性能平面化、功能化微型储能器件及其不同应用场景微系统集成

4. 其他新型高效电化学储能器件

陆俊，教授，美国阿贡国家实验室化学家。

2000年在中国科学技术大学获得物理化学专业学士学位，2009在犹他大学冶金工程系获得博士学位，博士期间研究的方向是金属氢化物在可逆储氢方面的应用。目前主要研究方向是：电化学能源储存与转化。科研兴趣涉及电化学能源存储及转换等领域。研究内容主要是锂离子电池和金属锂电池方面，如对开放式锂空气电池和闭合式锂空气电池的研究，锂离子电池中高能量密度正极材料的设计，锂硫电池中高能量密度正极材料，固态电解液及正极材料的研究，钠离子电池和钠空气电池中的材料及电池形态的设计。在Nature, Nature Energy, Nature Nanotechnology, Chem. Rev., JACS, Nature Commun., Energy and Environmental Science等权威期刊发表论文170余篇，授权专利20余项。目前工作被引超过13000次，H因子62。