华科谢佳《自然通讯》共掺杂多孔碳纳米纤维用于非水钾离子电池

科技 08-22 来源：高分子能源

钾金属是锂的一种有吸引力的替代品，可作为未来电化学储能系统的碱金属阳极。然而，钾金属的使用受到不利沉积物（例如，枝晶）的生长和循环时体积变化的阻碍。为了规避这些问题，我们提出了氮和锌共掺杂多孔碳纳米纤维的合成和应用，这些碳纳米纤维可作为钾金属主体。这种碳质多孔材料能够以高钾含量（例如，97 wt.%）和低钾成核过电位（例如，在 0.5 mA cm -2时为 15 mV）快速注入钾（例如，< 1 s cm -2 ））。实验和理论测量和分析表明，碳纳米纤维在其多孔网络内诱导均匀的钾沉积，并在不对称和对称细胞循环过程中促进无枝晶形态。有趣的是，当注入钾的碳材料作为活性负极材料与硫基正极和纽扣电池配置中的非水电解质溶液组合进行测试时，平均放电电压约为 1.6 V，放电容量为在 500 mA g -1和 25 °C 下600 次循环后，达到大约 470 mA hg -1 。

图文简介

a MSCNFs 的合成路线和相应的复合 K 阳极。b MSCNFs的PXRD图谱。c MSCNF的孔分布和相应的N 2 -77 K吸附等温线（插图）。d - f MSCNFs 的 SEM 图像。红色虚线突出了 MSCNF 的多孔结构。MSCNFs的g TEM图像和h HRTEM图像。i HAADF 模式下 MSCNF 的 EDS 元素映射。

a在0.5 mA cm -2的电流密度下，不同主体上K 成核的电压分布。b不同主体上K沉积的过电位（A：裸Cu，B：cPAN，C：cPAN-Zn，D：MSCNF，E：蚀刻的MSCNF）。c在0.5 mA cm -2的电流密度下，不同主体上K电镀/剥离的库仑效率。d – g K 注入 MSCNF 和相应产品的光学图像。h - j具有 MSCNF-K 和 Cu-K 阳极的对称电池的电压曲线以及标记区域的相应放大曲线。ķ -米不同电流密度下不同对称电池的倍率性能和标记区域的相应放大轮廓。所有电化学测量均在 25 ± 2 °C 的温度下进行。

在 6 mA cm-2的电流密度下，原位光学显微镜观察 K 在Cu 箔和b MSCNFs 上的沉积。在 0.5 mA cm -2的电流密度下，在c Al 箔和d MSCNFs 上沉积 K 的操作 XRD 模式的等值线图。e在0.5 mA cm -2的电流密度下，MSCNFs 上K 沉积的电压曲线和f不同放电状态下沉积的MSCNFs 的相应SEM 图像。所有电化学测量均在 25 ± 2 °C 的温度下进行。