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文章信息
擇優工程化邊緣氮活性位點助力空心碳球實現快速可逆的鉀存儲。第一作者：金思妍，梁培通訊作者：王瑾*單位：南京工業大學
研究背景
鋰離子電池(LIBs)由于具有能量密度高、循環壽命長等優點，已經成功地在便攜式電子產品和大型電動汽車上實現了商業化。然而，鋰資源需求的不斷增長和成本的上升大大阻礙了LIBs的發展。因此，探索具有豐富地殼資源的低成本電池是十分必要的。鉀離子電池(PIBs)由于資源豐富、成本低廉、氧化還原電位低而受到人們的廣泛關注。而在儲鉀過程中，大尺寸的鉀離子往往會引起巨大的體積變化和緩慢的反應動力學。因此，尋找合適的電極材料，能夠很好地容納大尺寸的K+，實現快速可逆的K+存儲性能，是一個重要的挑戰，特別是負極材料。硬碳負極材料由于其較好的化學穩定性，成本低廉，環境友好等優勢，被認為是一種極具前途的鉀離子電池負極材料之一。但是，硬碳材料的儲鉀性能依然受限于鉀離子嵌入/脫出過程中的巨大體積膨脹和緩慢動力學。
文章簡介
基于此，南京工業大學的王瑾教授 聯合中國計量大學梁培教授在知名期刊Chemical Engineering Journal上發表的題為“Preferentially Engineering Edge–Nitrogen Sites in Porous Hollow Spheres for Ultra–Fast and Reversible Potassium Storage”的研究工作。該工作通過結構工程與N/P雙摻雜相結合的策略，獲得超高邊緣氮摻雜的空心多孔碳球（N/P-HPCS）。所開發的負極材料具有獨特的中空介孔結構，優先暴露出豐富的邊緣氮活性位點；額外的磷摻雜調節邊緣氮位點的價帶，有利于提升邊緣氮含量。中空多孔碳球結構和超高邊緣氮（85.6%）的協同效應，擴大的層間距(0.412 nm)和豐富的活性位點，能夠有效增強表面吸附的鉀離子存儲。因此，所制備的N，P-共摻雜中空多孔碳球表現出相當出色的可逆容量，優異的倍率性能（193.0 mAh g-1在 4 A g-1下）和穩定的循環能力（在 2 A g-1下，1500 次循環后保持率為63% ）。深入的電化學動力學分析證實了該N/P-HPCS電極的增強儲鉀機制主要歸因于快速的贗電容機制。該工作為構建高邊緣氮摻雜碳材料提供了一種可行的策略。
本文要點
要點一：構筑N，P-共摻雜中空多孔碳球提升儲鉀性能該工作通過結構工程與N/P雙摻雜相結合的策略，獲得超高邊緣氮摻雜空心多孔碳球。邊緣氮含量高達85.6%，N/P雙摻雜有利于擴大層間距(0.412 nm)，較高的比表面積有利于增加活性位點，能夠有效增強表面吸附的鉀離子存儲。此外，碳球獨特的中空介孔結構有利于緩解儲鉀時的體積膨脹、增加與電解液的接觸面積和縮短K+擴散路徑。因此，所制備的N，P-共摻雜中空多孔碳球表現出優異的儲鉀循環性能和倍率性能。
要點二：儲鉀機理和反應動力學的分析通過一系列非原位測試手段研究了鉀離子的儲存機理，以及GITT和不同掃速下的CV測試顯示了N/P-HPCS在儲鉀過程中具有較高的擴散系數和較高比例的表面主導儲鉀贗電容。DFT深入分析發現P摻雜調節邊緣氮水平，可以有效提高N/P?HPCS的K吸附能力和電子結構，從理論上揭示了N/P?HPCS增強鉀離子存儲能力的機理。
要點三：組裝N/P-HPCS//AC用于鉀離子混合電容器以商業活性炭為正極，以N/P?HPCS為負極組裝成鉀離子混合電容器。該電容器表現出的113.03 Wh kg-1/12.33 kW kg-1的能量/功率密度。
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Preferentially Engineering Edge–Nitrogen Sites in Porous Hollow Spheres for Ultra–Fast and Reversible Potassium Storage，Siyan Jin, Pei Liang, Yuting Jiang, Huihua Min, Mengmeng Niu, Hao Yang, Rongguo Zhang, Jiaxu Yan, Xiaodong Shen, Jin Wang*, https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134821