探究碳化溫度和模板對(duì)本征缺陷比例的影響

研究背景

由于成本低、鉀儲(chǔ)量豐富、氧化還原電位低、離子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)快等優(yōu)勢，鉀基儲(chǔ)能裝置，特別是鉀離子電池（PIBs），被認(rèn)為是鋰離子電池最有前途的替代品之一。碳質(zhì)陽極具有成本低、結(jié)構(gòu)靈活和理化穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，其可以通過吸附誘導(dǎo)的電容行為和擴(kuò)散控制的插層過程來可逆地儲(chǔ)存鉀。缺陷工程被認(rèn)為是調(diào)節(jié)碳材料速率容量和循環(huán)穩(wěn)定性的有效手段之一。

然而，目前的大部分研究都集中在雜原子摻雜的外部缺陷上，而忽略了由于原子損失或晶格變形引起的本征碳缺陷（如邊緣位點(diǎn)和空隙或孔隙）對(duì)儲(chǔ)鉀的影響。有鑒于此，河北科技大學(xué)王波、李昭進(jìn)團(tuán)隊(duì)以葡萄糖為碳源，在軟模板的輔助下，可控地合成了一系列本征缺陷豐富的碳材料，探究了碳化溫度和模板對(duì)本征缺陷比例的影響，揭示了本征缺陷程度與容量/容量保持率之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)制。相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊Advanced Functional Materials上。

圖文導(dǎo)讀

碳材料的制備與微觀形貌

分別以葡萄糖、嵌段共聚物F127、1, 3, 5-三甲基苯為碳源、軟模板和孔隙膨脹劑，通過自組裝、聚合、高溫碳化過程，即可得到不同本征缺陷含量的類碗狀碳。通過HRTEM可以觀察到不同碳化溫度下高度無序的微觀結(jié)構(gòu)。

碳材料的本征碳缺陷

通過XPS數(shù)據(jù)分峰得到的sp3 C峰占比可以發(fā)現(xiàn)，800℃碳化得到的碳材料sp3 C峰占比最高，表明樣品中本征碳缺陷含量占比最高，拉曼數(shù)據(jù)處理得到的ID1/IG比值，以及EPR測試得到的洛倫茲線寬、峰強(qiáng)度結(jié)果都很好地佐證了上述結(jié)論。

碳材料的電化學(xué)性能

本征碳缺陷濃度最高的碳材料（ECM-800）展現(xiàn)了最大的電化學(xué)比容量和容量保持率，且在多次循環(huán)后，界面轉(zhuǎn)移電阻上升最緩慢。通過線性擬合發(fā)現(xiàn)，比容量、容量保持率與本征缺陷程度（ID1/IG）呈線性正相關(guān)。

碳材料的儲(chǔ)鉀機(jī)制和鉀離子全電池性能

通過異位拉曼分析充/放電過程中ID1/IG值變化發(fā)現(xiàn)，放電過程中，ID1/IG值從1.3逐漸減小至1.02，表明大量本征缺陷位點(diǎn)被鉀離子占據(jù)。在隨后的充電過程中，ID1/IG恢復(fù)到初始值，表明鉀離子吸附存儲(chǔ)具有高度可逆性。異位XPS測試得到的sp3 C峰占比變化也證實(shí)了上述鉀存儲(chǔ)機(jī)制。在鉀離子全電池中，ECM-800展現(xiàn)了不錯(cuò)的電化學(xué)容量（54 mAh g-1）和優(yōu)異的庫倫效率（3000次循環(huán)，庫倫效率維持在98%）。

文獻(xiàn)鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202208966

審核編輯：劉清