蘭州化物所閆興斌教授Energy Storage Materials：3D氮摻雜骨架碳用于高性能鉀離子混合電容器

Alisa 5年前 (2019-04-28) 6718瀏覽

【引言】

鉀離子混合電容器(PIHCs)由于其高能量/功率密度，豐富的資源和低成本而具有作為中大型能量存儲應用的巨大潛力。實現高性能PIHCs的關鍵在于平衡陽極中發生的緩慢法拉第反應和陰極中發生的快速吸附/解吸過程之間的動力學性質。具有快速K+離子嵌入/脫嵌特性的陽極材料對實現PIHC設備的高倍率能力和循環穩定性具有重要意義。碳陽極材料被認為是大規模應用中最有前景的材料。理想的碳基陽極材料應具有以下特性：大的層間空間，3D結構和合適的雜原子(像N)摻雜。同時陰極材料的電容性能決定了PHIC器件的能量特性。大比表面積活性炭（AC）是許多金屬離子混合電容器中最常用的陰極材料。但是之前的合成過程通常是通過外加N源，其合成過程是復雜，耗時和低產率的。

【成果簡介】

近日，蘭州化物所閆興斌教授等通過簡單的煅燒乙二胺四乙酸四鈉（EDTA-4Na）制備3D氮摻雜骨架碳（3DNFC），其具有高可逆容量和良好的K+儲存電化學動力學性質。并且3DNFC可以進一步轉換為3D氮摻雜骨架活性炭（3DNFAC），并顯示出超高的比表面積（3839 m2?g-1）和出色的電容性能。制備的雙碳PIHC（3DNFC//3DNFAC）的電壓窗口能達到4.2 V，并且表現出優異的電化學性能，包括高能量密度和高功率密度(在210W kg-1時能量密度為163.5Wh kg-1, 同時在21000W kg-1時能量密度為76.4Wh kg-1)，以及出色的循環穩定性（在2 A g-1電流密度下10000次循環后容量保持率為91.7％）。相關成果在知名期刊Energy Storage Materials (DOI: 10.1016/j.ensm.2019.04.008)上發表，題為：“3D nitrogen-doped framework carbon for high-performance potassium ion?hybrid capacitor”。

【圖文導讀】

圖1?3DNFC陽極和3DNFAC陰極的制備以及3DNFC // 3DNFAC雙碳PIHC的構建。

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圖2?

(a) 3DNFC的TEM圖像; (b) 3DNFC的HRTEM圖像; (c) 3DNFC的環形暗場TEM圖像（左）和相應的EDS元素映射：C，N和O（右）; (d) 3DNFC的XPS測量光譜，以及相應的元素含量：C，N和O（插圖）; 3DNFC的精細和擬合的XPS光譜：(e) C 1s和?(f) N 1s。

圖3?PIB中3DNFC電極的電化學性質

(a) 在0.1 mV s-1前三圈CV曲線; (b) 在0.1 A g-1前三條GCD曲線; (c) 倍率性能; (d) 在0.1至10 A g-1掃描速率下的CV曲線; (e) 擬合峰值陽極和陰極電流的b值; (f) 上圖：在0.6 mV s-1 的CV曲線，陰影區域代表電容貢獻。下圖：電容和擴散控制電荷相對于掃描速率的貢獻率; （g）在0.01-2 V 的電壓范圍內2 A g-1電流密度下的循環性能。

圖4

?(a,?b) 3DNFAC的TEM圖像 (c) 3DNFAC的氮氣吸脫附等溫線，插圖顯示相應的孔徑分布。3DNFAC電極相對于K金屬在1.5和4.2V之間的半電池性能測試(d) CVs, (e) GCD曲線; (f) 倍率性能。

圖5?使用3DNFC陽極和3DNFAC陰極（表示為3DNFC // 3DNFAC）的PIHCs的電化學性能。

(a) 3D掃描速度為1mV s-1的K半電池中的3DNFC和3DNFAC的CV曲線（上圖），質量比為3：2，在不同掃描速率下3DNFC // 3DNFAC的CV曲線（下圖）；(b) 3DNFC // 3DNFAC（質量比為3:2）在不同電流密度下的GCD曲線; (c) 具有不同質量比的3DNFC // 3DNFAC和其他報告的PHIC的Ragone圖; (d) 最佳3DNFC // 3DNFAC（3:2）與其他報道的典型SIHC相比的Ragone圖; (e) 在0-4.2 V的電壓窗口2 A g-1電流密度下最佳3DNFC // 3DNFAC器件的10000次循環的穩定性測試。插圖顯示了LED標志燈被3DNFC//3DNFAC點亮前后的數字圖片。

【結論】

綜上所述，作者通過簡單煅燒EDTA-4Na制備了3DNFC。3DNFC具有三維層狀結構，大的層間距和高氮摻雜使得其具有高可逆容量以及K+存儲的出色動力學特性。同時，3DNFC 進一步活化制得的3DNFAC具有3D分層多孔結構和超高比表面積，這使得它具有良好的電容性能。通過利用3DNFC作為陽極，3DNFAC作為陰極，制得了一個電壓窗口為4.2V雙碳PIHC，它可以提供高能量和功率密度（在210W kg-1時能量密度為163.5Wh kg-1, 同時在21000W kg-1時能量密度為76.4Wh kg-1）并表現出優異的循環穩定性（在2 Ag-1下10000次循環后容量保持率為91.7％）。該工作表明3DNFC // 3DNFAC PHIC器件在儲能應用方面具有巨大潛力，并促進了PIHC技術的快速發展。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.04.008

本文由蘭州化物所閆興斌教授團隊供稿。

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