中科大|章根强教授JMCA：多活性位点的碳材料实现优异的碱金属离子存储性能- 大数跨境

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中科大|章根强教授JMCA：多活性位点的碳材料实现优异的碱金属离子存储性能

科学材料站

2020-11-15

导读：这项工作提出了一种简易可量产的方法制备Sn团簇和氮共同改善的碳材料（c-SnNC-HNA）。

文章信息

多活性位点的碳材料实现优异的碱金属离子存储性能

第一作者：王功瑞

通讯作者：章根强*，时亮*

单位：中国科学技术大学

研究背景

随着能源需求的持续增长和环境问题的日益严重，对于风能，太阳能，水能等可再生能源的利用变得越来越紧迫。然而可再生能源通常伴有地域分布不均和间断性缺点，这可以通过发展成本低廉的大规模能量存储设备得到解决。

随着锂资源成本的快速增加，基于钾\钠的成本低廉，高能量密度和功率密度的能量存储设备（例如，钠\钾离子电池；钠\钾离子混合电容器）受到了越来越多的关注。

相比锂离子，半径较大的钾、钠离子(1.38/0.98 Å)通常会造成缓慢的扩散动力学和较差的循环性能，这对材料的设计提出了更高的要求。因此，发展适合钾、钠离子存储，具有高可逆容量和循环性能的负极材料至关重要。

文章简介

近日，中国科学技术大学的章根强教授课题组在知名期刊Journal of Materials Chemistry A上以“Realizing the Synergy of Sn Cluster Incorporation and Nitrogen Doping for Carbonaceous Hierarchical Nanosheet-Assembly Enables Superior Universal Alkali Metal Ion Storage Performance with Multiple Active Sites”的文章，该工作对碱金属离子存储材料的发展具有重要的指导意义。

这项工作提出了一种简易可量产的方法制备Sn团簇和氮共同改善的碳材料（c-SnNC-HNA）。结构表征显示，该材料为Sn团簇复合和N掺杂共同作用的球形多孔结构（图1）。

图1. c-SnNC-HNA的结构表征

本文要点

要点一：c-SnNC-HNA用于钾、钠、锂离子电池

将c-SnNC-HNA负极材料组装成钾、钠、锂离子半电池时，材料表现出优异的循环性能和倍率性能。具体的，在5A g-1的电流密度下钾离子电池可以循环4000圈，容量损失率仅为0.06‰。钠离子电池在5A g-1的电流密度下，循环4000圈后容量保持率接近100%。

锂离子电池也表现出了良好的循环稳定性。CV动力学测试表明，良好的倍率性能和循环性能得益于c-SnNC-HNA在加入Sn后改善的赝电容存储能力。

图2. c-SnNC-HNA的钾离子存储性能

要点二：c-SnNC-HNA的活性位点及GITT表征

非原位XPS和原位拉曼测试表明，c-SnNC-HNA 中的碳、氮、Sn均可以作为活性位点存储钾离子。得益于此，c-SnNC-HNA的离子扩散系数得到了明显的增加。

图3. c-SnNC-HNA的活性位点证明和GITT表征

要点三：c-SnNC-HNA用于钾离子混合电容器

为了验证材料的实用性能，以活性碳为正极，以c-SnNC-HNA为负极组装成钾离子混合电容器。该混合离子电容器表现出112.5Wh kg-1/49.1 W kg-1 的能量/功率密度和10000圈的长循环性能。

图4. 基于c-SnNC-HNA负极的钾离子混合电容器

文章链接

“Realizing the Synergy of Sn Cluster Incorporation and Nitrogen Doping for Carbonaceous Hierarchical Nanosheet-Assembly Enables Superior Universal Alkali Metal Ion Storage Performance with Multiple Active Sites”

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta08535a#!divAbstract

通讯作者介绍

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

章根强教授目前已在Sci. Adv., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy & Environ. Sci., Energy Storage Materials, Applied Catalysis B: Environmental. 等学术刊物上发表80余篇研究论文.

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