本文作者通过吸附插层钾存储机制，设计了灵活的氮氧双掺石墨烯泡沫膜（NOC@GF），使KIBs产生了前所未有的优异电化学性能。
背景介绍
1.为什么要研究钾离子电池？
钾离子电池（KIBs）已被证明是一种经济有效的能源系统，可应用于大规模的固定式绿色能源储存和智能电网。与锂离子电池和其他二次电池相比，KIBs具有资源丰富（占地壳的2.4wt%，是锂资源的近1000倍）、标准氧化还原电位低、电池电压高等优点，越来越受到人们的关注。
2. 钾离子电池存在的问题
目前，工业用KIBs石墨负极的理论容量仅为279 mah/g，比LIBs低30%。而且，由于石墨层中的大量K-离子插层/脱层而导致的巨大体积膨胀（61%体积膨胀），石墨负极的速率性能和循环寿命远低于LIBs。如何利用K-石墨的插层特性，同时提高其结构稳定性和电化学性能，仍然是一个巨大的挑战。
3. 钾离子电池的碳基材料研究现状
为了解决上述问题，用以下两种方法已经研制出了许多具有良好的电化学性能碳基材料。一种方法是扩大石墨（002）面层间距，促进K离子的运输。石墨材料的K离子插层/脱层电压平台低而稳定，这导致了其产生高的工作电压和大能量密度。另一种方法是通过在碳骨架中掺杂杂原子设计出具有丰富缺陷的硬碳基材料。硬碳中的钾的储存主要是基于吸附行为。许多研究中硬碳负极显示出更强的循环性和倍率性能，它们包括氧/氟双掺杂多孔碳，氮掺杂三维介孔碳纳米片等等。然而，硬碳因为不具备长程有序性会降低其导电性。
此外，硬碳负极通常表现出不明显的K+平台，从而导致与正极材料耦合时全电池的能量密度较低。可以预想，结合不同类型碳材料吸附插层机理的协同效应，可以实现具有长循环寿命和高倍率性能的KIBs碳基负极。
文章介绍
近日，中国科技大学余彦教授，Haibin Zang和Shuming Peng等人在国际知名期刊Nano Energy (2018 IF: 15.548)上发表题为“Boosting the potassium storage performance of carbon anode via integration of adsorption-intercalation hybrid mechanisms”的综述。Sifan Zeng，XingjiaChen为本文共同第一作者。
作者利用吸附插层储钾机理的优势，设计出了柔性氮氧双掺杂石墨烯泡沫薄膜（NOC@GF）。三维石墨烯泡沫骨架具有较高的电导率（3.2 s/cm），有利于K离子的扩散。氮氧掺杂的硬碳层促进了钾离子的吸附，使其具有较高的钾离子存储能力。
最重要的是，NOC@GF的三维互连结构有利于其在电解液中浸泡并提供快速的电子传输通道。因此，NOC@GF在0.1 a/g时具有319 mah/g的高可逆容量，在550次循环后容量保持率为94.9%，在5500次循环后具有281 mah/g的优异的长期循环稳定性。
文章亮点
图2. NOC@GF形貌表征
The morphology of NOC@GF. (a, b) The top-view SEM images, (c) the cross-view SEM images, (d, e) the TEM images, (f) HRTEM image, (g) the SEM image, (h–j) the elemental mapping images of C, N, and O.
图3. NOC@GF结构表征
The structural characterization of NOC@GF. (a) XRD patterns, (b) Raman spectra, (c) the fitted Raman spectrum, (d–f) the fitted XPS spectra of C 1s, N 1s, and O 1s.
图4. NOC@GF和NOC–F用于钾离子电池的电化学性能
The Electrochemical Properties of NOC@GF and NOC–F. (a) CV curves at a scan rate of 0.2 mV/s, (b) cycling at 0.1 A/g, (c) rate performance from 0.1 to 5 A/g, (d) long-term cycling stability and Coulombic efficiency at 1 A/g, and (e) comparison of cycling performance at 1 A/g among these carbonaceous anodes for KIBs.
图5. NOC@GF钾离子存储机理分析
(a) CV curves at various scan rates, (b) b values plotted against the voltage for cathodic scans (K+ intercalation), (c) the schematic illustration of K+ storage mechanism of NOC@GF.
图6. 理论计算：钾离子吸附和扩散分析
Theoretical simulations of K atom adsorption and diffusion. Top view of K atom adsorbed on (a) graphene, (b) N, O doping, (c) N doping, (d) O doping structures and the corresponding adsorption energies. (e–h) the corresponding side view of electron density differences of K atom adsorbed on these structures, the yellow and blue areas stand for increased and decreased electron density, respectively. (i–j) Top view of K atom diffusion on these structures and the corresponding diffusion energies. The brown, silver, red and purple balls represent C, N, O and K atoms, respectively.
后记
文章链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520303645?via%3Dihub
老师简介
余彦，中国科学技术大学教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者, Journal of Power Sources 副主编。 2001年毕业于安徽大学获得学士学位；2006年获得中国科学技术大学博士学位，随后在美国（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。2012年加入中科大。
主要研究方向为一维纳米材料的可控制备及应用、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。
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