中科大章根强教授ACS Nano：磷/氮双掺杂中空碳纳米球实现高性能钾离子混合电容器- 大数跨境

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中科大章根强教授ACS Nano：磷/氮双掺杂中空碳纳米球实现高性能钾离子混合电容器

科学材料站

2022-03-23

导读：该文章发展了一种纳米限域的原位氧化聚合过程，通过进一步碳化处理，生成磷（P）/氮（N）双掺杂空心碳球（PNHCS），并表现出优异的Na+/K+存储性能。并通过理论与实验相结合的方式探究了该碳材料的储能

文章信息

磷，氮双掺杂中空碳纳米球实现高能钾离子混合电容器

第一作者：高靖宇、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

目前，持续增长的能源需求和伴随化石能源的使用产生的环境问题引起了人们的广泛关注，这促使了研究人员致力于开发绿色可再生能源技术，例如风能、水能、太阳能等，并进一步推进了近几十年电化学储能设备的发展。

其中，钠（Na）、钾（K）自然资源具有地壳丰度高、成本低廉等优点，在近几年包括钠/钾离子电池（Sodium/Potassium ion batteries, KIBs）和混合离子电容器（Sodium/Potassium ion hybrid capacitors, SIHCs/KIHCs）在内的基于钠离子（Na⁺）和钾离子（K⁺）的储能体系受到了日益增加的关注，并成为最有前景的大规模储能体系之一。

然而，钠/钾离子（r=1.02/1.38 Å）较大的半径造成了负极端缓慢的离子存储动力学，这进一步加剧了混合离子电容器中正负极间的动力学失配，引起诸如能量密度降低，循环寿命缩减等问题。因此，设计具有快速赝电容离子存储能力的电极材料可以增强电极间的动力学兼容性，可以极大的提升器件的整体性能。

文章简介

本文中，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ACS Nano上发表题为“Engineering Electronic Transfer Dynamics and Ion Adsorption Capability in Dual-Doped Carbon for High Energy Potassium-Ion Hybrid Capacitors”的研究文章。

该文章发展了一种纳米限域的原位氧化聚合过程，通过进一步碳化处理，生成磷（P）/氮（N）双掺杂空心碳球（PNHCS），并表现出优异的Na⁺/K⁺存储性能。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. PNHCS的制备和结构表征。

本文要点

要点一：PNHCS的形貌和结构

PNHCS呈现出通过碳纳米片交联形成的多孔壳状形貌（图1H, I）。透射电子显微镜（TEM）图片显示，PNHCS中存在大量孔隙；氮气等温吸脱附测试表明，PNHCS具有52 m² g^-1的比表面积。

要点二：PNHCS的K⁺存储性能

PNHCS负极在0.2 A g^-1的电流密度下表现出288.8 mAh g^-1的可逆比容量，并表现出高达500圈的稳定循环能力（图2B, C）。在2 A g^-1的电流密度下表现出103.9 mAh g^-1的可逆比容量，显著优于对比样品（NHCS）的性能（图2D）。在1 A g^-1的电流密度下循环5000圈后仍然表现出高达141.2 mAh g^-1的可逆比容量，显示出优异的K⁺存储性能（图2E）。

图2. PNHCS的K⁺存储性能。

要点三：PNHCS的储钾机理研究

进一步采用DFT、in situ Raman、ex situ XPS和恒电流间歇滴定技术（GITT）等手段进行了机理研究。ex situ XPS测试表明（图3A），富含KF的固体电解质膜（SEI）有利于K⁺的扩散过程，而有机的RO—COOK使得SEI膜表现出更高的机械强度。N 1s、P 2s的蓝移和和C 1s谱中sp² C特征峰的减弱说明K+吸附和嵌入碳材料中。

in situ Raman显示了PNHCS储钾过程的高度可逆性（图3B-D）。GITT测试显示PNHCS比NHCS更高的离子扩散系数（图3E-G）。理论计算结果显示，PNHCS具有更强的K⁺吸附能力和更优的导电性（图4）。

图3. PNHCS的K⁺存储机理。

图4. 理论计算。

要点四：KIHCs电化学性能的研究

使用PNHCS负极和商用活性碳（AC）正极组装成的KIHCs（PNHCS//AC）表现出高能量密度(178.8 Wh kg⁻¹，197.7 W kg⁻¹)和高功率密度(5276.5 W kg⁻¹，30.6 Wh kg^-1)，以及优异的长循环寿命(在1 A g⁻¹电流密度下循环3000次之后，仍表现出高达80.8%的容量保持率)。

图5. KIHCs的电化学性能。

文章链接

“Engineering Electronic Transfer Dynamics and Ion Adsorption Capability in Dual-Doped Carbon for High Energy Potassium-Ion Hybrid Capacitors”

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c00140

通讯作者简介

章根强 教授

2016年05月-至今：特任教授，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

章根强教授目前以通讯作者身份在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100余篇研究论文，被引用9126 余次，H因子43。

课题组介绍

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