北大Adv. Energy. Mater.：硫氧共掺杂多孔硬碳微球助力高性能钾离子电池

【引言】

当今新型电池技术的迅速发展催生了锂元素的大量开采利用。但是锂源在地壳中的含量不高，限制了二次电池的进一步发展。与锂相比，钠源和钾源丰度更高。并且，K/K⁺还原对的电势比Na/Na⁺的低，使得钾离子电池拥有比锂离子电池更高的放电电压和能量密度。

钾离子电池与锂离子电池有着相似的“摇椅式”充放电原理。钾离子电池的主要挑战是，钾离子的离子半径比锂离子的大，使得钾离子在电极材料中的嵌入变得困难，从而造成了脱钾和嵌钾过程中的低容量、低倍率性能和短循环寿命。现今，无定型硬碳材料的密度较低，具有较大层状插层，能够有效缓解钾离子嵌入带来的体积膨胀。

【成果简介】

近日，来自北京大学的王前特聘研究员、郭少军研究员和杨槐教授（共同通讯作者）在著名期刊Advance Energy Materials上发表题为”Sulfur/Oxygen Codoped Porous Hard Carbon Microsphere for High-Performance Potassium-Ion Batteries”的文章。该文章报道了一种通过热解液晶/环氧树脂单体/硫醇固化剂体系形成的聚合物微球，并运用简易的碳化-刻蚀策略来制备硫氧共掺杂多孔碳微球用于高性能钾离子电池负极。无定型的多孔碳微球有着合适的插层间距(0.393nm)，较大的比表面积(983.2m²g^-1)，以及分层的微孔/介孔结构。该微球在50mA g^-1电流密度下有226.6mAh g^-1的可逆比容量(石墨的理论比容量为279mAh g^-1)，1A g^-1电流密度下循环2000次保持108.4mAh g^-1没有衰减。

【图文导读】

示意图一：多孔碳微球的制备示意图。

a) 聚合物糖浆的均匀混合物；

b) 热固化过程；

c)/d) 移除液晶之后的多孔微球；

e) 多孔微球的化学结构；

f) 表面光滑的碳微球；

g) 硫/氧共掺杂的碳微球示意图；

h) 多孔碳微球；

i) 嵌钾的示意图。

图一：SEM形貌图。

a) 多孔微球；

b) 碳微球；

c)/d) 多孔碳微球。

图二：表征。

a) 氮气吸附曲线；

b) XRD图；

c) 拉曼光谱；

d) TEM图；

e) 高分辨TEM图；

f) EDS图；

g) XPS图。

图三：电化学性能。

a) 充放电曲线；

b) 50mA g^-1电流密度下的循环图。

c) 倍率性能图；

d) 不同电流密度下的循环性能图；

e) 长循环图。

图四：嵌钾和脱钾过程中的表征。

a) 外原位XRD图；

b) 完全嵌钾时的TEM图；

c) 不同嵌钾状态的拉曼光谱。

图五：结构阐释图。

a) 多孔碳微球；钾吸附在b)S₁，c)S₂，d)S₃位置的示意图。

【小结】

合成了S/O共掺杂硬碳微球材料用于新型钾离子电池，拥有较高的比容量、良好的倍率性能、优异的循环稳定性。在50mA g^-1电流密度下拥有226.6mAh g^-1的高比容量，1A g^-1电流密度下循环超过2000次。无定型碳结构的多孔碳微球有较大的插层间距(0.393nm)，大比表面积(983.2m²g^-1)以及丰富的结构缺陷，从而形成了分层多孔框架和S/O杂原子共掺杂。通过DFT计算，这些特性不仅利于钾离子吸附于多孔碳微球上，而且能减缓嵌钾脱钾过程中的结构形变。

文献链接:Sulfur/Oxygen Codoped Porous Hard Carbon Microspheres for High-Performance Potassium-Ion Batteries(Adv. Energy. Mater.: 10.1002/aenm.201800171)

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