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谭军研究员、张成智博士、刘金水教授,Small观点:微米级碳碳复合材料储钾性能研究

时间:2023-09-23 来源: 浏览:

谭军研究员、张成智博士、刘金水教授,Small观点:微米级碳碳复合材料储钾性能研究

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文 章 信 息

微米级碳碳复合材料储钾性能研究

第一作者:全卓华

通讯作者:张成智*,谭军*,刘金水*

单位:湖南大学,季华实验室

研 究 背 景

沥青衍生碳(PC)负极具有低成本、丰富的边缘缺陷位点和可调结晶度的优点,适用于钾离子电池。然而,获得具有丰富边缘缺陷位点和坚固结构的沥青衍生碳负极仍然具有挑战性。最近,湖南大学先进碳材料及应用技术湖南省重点实验室联合季华实验室测试中心。

文 章 简 介

近日,来自 湖南大学的刘金水教授与季华实验室的谭军研究员合作 ,在国际知名期刊 Small 上发表题为 “Robust Micro-Sized and Defect-Rich Carbon–Carbon Composites as Advanced Anodes for Potassium-Ion Batteries” 的观点文章。该观点文章通过熔融浸渍和受限热解法大量合成了具有丰富边缘缺陷位点的微米级坚固的沥青碳/膨胀石墨(PC)复合材料(EGC)。PC被原位封装在微尺寸EG骨架中,经过热处理后,PC与EG之间具有牢固的化学键,赋予了微尺寸碳复合材料的结构稳定性。同时,EG骨架产生的约束效应抑制了PC的结晶度,并贡献EGC复合材料以丰富的边缘缺陷位点。此外,EGC复合材料内部的EG骨架可以形成连续的电子传导网并建立低曲度碳质电极,促进电子/离子的快速迁移,因此EGC电极表现出优异的储钾性能。

图1. EGC电极具有的低弯曲度和丰富边缘缺陷优点示意图。

本 文 要 点

要点一:微米级碳碳复合材料的设计

坚固的微米尺寸的EGC复合材料,和PC和EG相比,它表现出“1+1>2”的钾离子存储性能,包括高比容量、良好的循环稳定性和高倍率能力。我们通过熔融浸渍和封闭热解,大量合成了具有丰富的边缘缺陷部位和坚固结构的复合材料。证明了在800 ℃的高温下,PC原位封装在EG骨架中,PC和EG中形成化学键,赋予了EGC复合材料的结构稳定性和微米尺寸特性。

图2. (a) EGC复合材料的合成过程示意图,以及分别属于EG、EGP和EGC的SEM图像。(b-c) EG和EGC的FIB-SEM图像。(d) EGC复合材料的SEM图像。(e) EGC的X射线微型CT图像。(f) EGC内部的PC成分的HRTEM图像。(g) PC的HRTEM图像。

要点二:膨胀石墨抑制沥青碳的结晶

膨胀石墨骨架的约束效应可以通过减缓沥青的热解速率并在碳碳复合材料中贡献丰富的边缘缺陷位点来抑制沥青碳的结晶度。此外,微米尺寸的碳碳复合材料内的膨胀石墨可以形成连续的电子导电网,连接铜箔集流体和活性材料,从而建立低弯曲碳基电极,缩短离子转移距离,促进电子/离子快速迁移速率,实现高速率能力,因此该电极表现出优异的储钾性能。

图3. (a) EGC、EG/PC、EG和PC样品的拉曼光谱峰分为约位于1350、1620、1490和1200 cm‒1的D1、D2、D3和D4峰。(b) EGC、EG/PC、EG和PC的XRD光谱分析图。(c) EGC和EG/PC在15~35范围的高分辨率XRD光谱分析图。(d) EGC、EG/PC、EG和PC的孔径分布图。(e) EGC、EG/PC、EG和PC在相同20 MPa强压下的电导率。

图4. 储钾性能:(a)介绍了EGC、EG/PC、EG和PC电极的钾离子存储的“吸附-插入”机制。(b-c)0.2~2.0 mV s ‒1 扫速下的5个CV图和b值的拟合线。(d)不同扫速下电容的贡献百分比。(e-f)在EGC、EG/PC、EG和PC电极的低频区域,Z‘与ω1/2的Nyquist和线性关系图。

要点三:前瞻

综上所述,通过密闭热解工艺构建了一种微米尺寸、坚固的EGC复合负极材料,具有高比容量、高稳定循环性和高倍率的钾离子储存能力。PC在高温下原位封装在EG骨架中,PC与EG之间具有化学键,赋予EGC复合材料坚固的结构和高速电子传导网络,具有出色的循环性。EG骨架产生的约束效应抑制了PC的结晶度,为EGC复合材料贡献了丰富的边缘缺陷位点,为PIB提供了高比容量。最后,微米尺寸EGC复合材料建立了低弯曲度的碳基电极,有利于电子/离子快速迁移,实现高倍率能力。这种设计异质碳碳复合材料的战略方法有可能用于改性不同的商业钾离子电池碳基负极。

文 章 链 接

Robust micro-sized and defect-rich carbon-carbon composites as advanced anodes for potassium-ion batteries

https://doi.org/10.1002/smll.202305841

通 讯 作 者 简 介

张成智 博士简介:Dr Chengzhi Zhang received his BS and PhD degrees in carbon material from Hunan University in 2015 and 2020, respectively. He was a Visiting Scholar at Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences in 2022. He has completed his Postdoctoral Research form Ji Hua Laboratory in 2023. His current research interests mainly focus on the synthesis and application of carbon-based and silicon-based composite materials for electrochemical energy storage. He has published more than 30 papers in peer-reviewing journals including Energy Environmental Science, Advanced Energy Materials, Energy Storage Materials, Small etc. with 1059 citations (H-index 17).

谭军 研究员简介:Dr Jun Tan is Professor and Director of Material analysis and Testing Center of Advanced Manufacturing Science and Technology GuangDong Laboratory (Ji Hua Laboratory). He was a professor in Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences (IMR, CAS). He received his PhD in materials science at IMR, CAS. His research activities focus on the techniques and principles of Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscope (FIB-SEM) and in-situ Transmission Electron Microscope (in-situ TEM), supported by CAS Key Technology Talent Program in 2011.

刘金水 教授简介:Dr. Jinshui Liu is a professor, and he was vice-president of Hunan University. He has presided more than 30 projects from National Natural Science Foundation, Hunan innovative province. His achievements field in advanced carbon materials research, including more than 150 papers and more than 60 applied Chinese invention patents. His projects won the second prize of “National Science and Technology Progress Award” in 2020, the first prize of “Technological Invention in Hunan Province”, and the second prize of “Science and Technology in China Machinery Industry”.

第 一 作 者 简 介

全卓华 博士生简介:2016年取得南宁师范大学学士学位,博士就读于湖南大学材料学院,师从刘金水教授。主要研究方向为石墨基负极材料的结构设计及电化学性能研究。近年来以第一作者身份在Small, Optics Communications发表SCI论文2篇,申请中国发明专利2项。

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