西北工业大学，陕西石墨烯联合实验室，德累斯顿工业大学
导读
本文提出了一种吡啶配位聚合物热分解刻蚀策略，用于控制非晶态高比表面积碳中的边型氮掺杂和比空间分布，其边型氮含量高达9.34%，在低成本的低温碳化条件下，材料内部氮分布更丰富，比表面积高达616m2g-1。优化后的碳在6000次循环中提供了前所未有的k储存稳定性，容量衰减可以忽略不计（在1A g-1下4个月循环后为容量为252ma g-1）。深入分析表明，高边型氮、高空间分布和高比表面积的共同作用使其表现出了优异的表面主导电容存储机制，提供了超稳性能。
背景简介
1. 钾离子能量存储系统的优势和挑战
地壳中锂资源（20 ppm）的限制以及大规模电能存储需求的不断增长，激发了研究者们对先进锂离子电池之外其它替代性能源存储系统的探索。 基于地壳中廉价而丰富的钾资源（17,000 ppm）和金属钾相对较低的氧化还原电势（-2.93 V vs SHE）的优势，钾离子储能系统（例如钾离子电池或相关混合电容器）有望成为锂离子电池的替代品。然而大尺寸的K离子导致循环过程中负极巨大的体积变化和缓慢的动力学传质，所以实现高性能K离子基能量储能的关键在于开发稳定的负极材料。因此，近年来相关方面的研究呈爆炸性增长。各种合金和层状负极材料（例如金属，过渡金属硒化物/硫化物）被提出作为钾离子电池的负极。
2. 碳材料作为钾离子能量存储系统负极的优势和面临的挑战
碳材料因其具有高的比表面积、丰富的活性位点和大的层间距，有望成为钾离子存储系统的负极。石墨作为电极是一个首要的选择，因为它是应用于锂离子电池中很成功的材料，通过插层反应在第一阶段与锂离子形成LiC6。石墨层对钾离子插入具有电化学活性，在反应的第一阶段与钾离子形成完全钾化的KC8并产生了278mah g-1 的 理论容量。然而，受大体积膨胀（58%）和插入/嵌出过程低钾离子扩散速率的影响，石墨负极的钾离子电池倍率性能和循环稳定性很差。
3. 新型碳材料在钾离子能量存储系统中的研究进展
在这方面，N掺杂，特别是通过掺杂实验和理论证明，N（吡啶/吡咯构型）因具有丰富的负电子缺陷位点和较高的吸附能，可以有效吸附K离子。尽管进行了大量的研究，但因掺杂过程中N的不受控制导致N元素不能在碳材料成为有序的边型N。设计含有特定边型N的前驱体有可能促进在生成碳中富含边型N，例如使用具有增强容量和循环能力的聚吡咯衍生碳。然而，在衰减率（<0.002%）较小的情况下，仍有足够的空间进一步提高循环性能。限制循环稳定性的可能原因一方面是不能合理地构边型N的结构。另一方面是两种结构特征的权衡，很难构建同时具有高表面积和边型N的碳材料。此外，空间上N的分布或掺杂深度也会影响K存储性能，在这方面很少有研究关注。因此，精心设计边型N的碳材料仍有可能获得同时保持稳定循环性能和倍率性能的高容量钾离子存储系统。
核心内容
本文中作者提出了一种新的方法来制备边缘富含掺杂N的多孔碳纳米片（enpc）用于超稳定K离子储存。考虑到前驱体中含有一定的吡啶氮，所以采用吡啶配位聚合物网络的热解刻蚀方法制备了enpcs。通过将热解温度降低到500℃，作者得到了同时具有边部氮含量9.34at%、比表面积为616m2g-1、在空间上材料内部的N分布更丰富的ENPCS。ENPCS具有高可逆容量（313mah g-1）、高的倍率性能和超长的循环稳定性，在1A g-1的电流下超过6000循环后仍能保持252mAh g-1的容量，几乎没有衰减（衰减率为0.0009%）。高边型氮含量、内部空间丰富的氮分布和高比表表面积的共同作用，使其充分利用了表面吸附电容行为，表现出超高的稳定性能。这个工作推动了碳材料在K离子储能系统中的应用。
图1. 材料成与表征
Figure 1. (a) Schematic illustration of the synthesis process of ENPCSs; SEM images of (b) the precursor and (c) resulting carbon sample ENPCS-500 carbonized at 500 oC; TEM images of ENPCS-500 with (d) low and (e) high magnifications; (f) HAADF-STEM image and corresponding elemental mappings of (g) carbon, (h) nitrogen and (i) oxygen.
文章链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202005118
导师简介:
王洪强，西北工业大学教授，博士生导师
西北工业大学材料学院院长助理，陕西省石墨烯联合实验室副主任。德国洪堡学者、欧盟玛丽居里学者及中组部青年千人计划入选者。2008年于中科院固体物理研究所获博士学位，后分别在日本产 业技术综合研究所、德国马普胶体与界面研究所、德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心以及英国利物浦大学从事研究工作，2015年加入西北工业大学。长期从事瞬态极端条件下材料的结构演变及物化性能研究，在光、声、热瞬态极端条件下的材料及基础应用领域积累了大量研究经验，已在Chem.Soc.Rev. Adv.Mater.、J.Am.Chem.Soc.、Angew.Chem.,Int.Ed.等国际重要期刊发表SCI论文60余篇，引用2000余次，H因子28。其中5篇引用超过100次，单篇最高引用200余次，3篇入选ESI高被引论文。已授权日本和中国专利8件。
资料来源:
https://teacher.nwpu.edu.cn/hongqiangwang.html
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