兰州化物所闫兴斌教授Energy Storage Materials：3D氮掺杂骨架碳用于高性能钾离子混合电容器

Alisa 5年前 (2019-04-28) 6993浏览

【引言】

钾离子混合电容器(PIHCs)由于其高能量/功率密度，丰富的资源和低成本而具有作为中大型能量存储应用的巨大潜力。实现高性能PIHCs的关键在于平衡阳极中发生的缓慢法拉第反应和阴极中发生的快速吸附/解吸过程之间的动力学性质。具有快速K+离子嵌入/脱嵌特性的阳极材料对实现PIHC设备的高倍率能力和循环稳定性具有重要意义。碳阳极材料被认为是大规模应用中最有前景的材料。理想的碳基阳极材料应具有以下特性：大的层间空间，3D结构和合适的杂原子(像N)掺杂。同时阴极材料的电容性能决定了PHIC器件的能量特性。大比表面积活性炭（AC）是许多金属离子混合电容器中最常用的阴极材料。但是之前的合成过程通常是通过外加N源，其合成过程是复杂，耗时和低产率的。

【成果简介】

近日，兰州化物所闫兴斌教授等通过简单的煅烧乙二胺四乙酸四钠（EDTA-4Na）制备3D氮掺杂骨架碳（3DNFC），其具有高可逆容量和良好的K+储存电化学动力学性质。并且3DNFC可以进一步转换为3D氮掺杂骨架活性炭（3DNFAC），并显示出超高的比表面积（3839 m2 g-1）和出色的电容性能。制备的双碳PIHC（3DNFC//3DNFAC）的电压窗口能达到4.2 V，并且表现出优异的电化学性能，包括高能量密度和高功率密度(在210W kg-1时能量密度为163.5Wh kg-1, 同时在21000W kg-1时能量密度为76.4Wh kg-1)，以及出色的循环稳定性（在2 A g-1电流密度下10000次循环后容量保持率为91.7％）。相关成果在知名期刊Energy Storage Materials (DOI: 10.1016/j.ensm.2019.04.008)上发表，题为：“3D nitrogen-doped framework carbon for high-performance potassium ion hybrid capacitor”。

【图文导读】

图1 3DNFC阳极和3DNFAC阴极的制备以及3DNFC // 3DNFAC双碳PIHC的构建。

   

图2 

(a) 3DNFC的TEM图像; (b) 3DNFC的HRTEM图像; (c) 3DNFC的环形暗场TEM图像（左）和相应的EDS元素映射：C，N和O（右）; (d) 3DNFC的XPS测量光谱，以及相应的元素含量：C，N和O（插图）; 3DNFC的精细和拟合的XPS光谱：(e) C 1s和 (f) N 1s。

图3 PIB中3DNFC电极的电化学性质

(a) 在0.1 mV s-1前三圈CV曲线; (b) 在0.1 A g-1前三条GCD曲线; (c) 倍率性能; (d) 在0.1至10 A g-1扫描速率下的CV曲线; (e) 拟合峰值阳极和阴极电流的b值; (f) 上图：在0.6 mV s-1 的CV曲线，阴影区域代表电容贡献。下图：电容和扩散控制电荷相对于扫描速率的贡献率; （g）在0.01-2 V 的电压范围内2 A g-1电流密度下的循环性能。

图4

 (a, b) 3DNFAC的TEM图像 (c) 3DNFAC的氮气吸脱附等温线，插图显示相应的孔径分布。3DNFAC电极相对于K金属在1.5和4.2V之间的半电池性能测试(d) CVs, (e) GCD曲线; (f) 倍率性能。

图5 使用3DNFC阳极和3DNFAC阴极（表示为3DNFC // 3DNFAC）的PIHCs的电化学性能。

(a) 3D扫描速度为1mV s-1的K半电池中的3DNFC和3DNFAC的CV曲线（上图），质量比为3：2，在不同扫描速率下3DNFC // 3DNFAC的CV曲线（下图）；(b) 3DNFC // 3DNFAC（质量比为3:2）在不同电流密度下的GCD曲线; (c) 具有不同质量比的3DNFC // 3DNFAC和其他报告的PHIC的Ragone图; (d) 最佳3DNFC // 3DNFAC（3:2）与其他报道的典型SIHC相比的Ragone图; (e) 在0-4.2 V的电压窗口2 A g-1电流密度下最佳3DNFC // 3DNFAC器件的10000次循环的稳定性测试。插图显示了LED标志灯被3DNFC//3DNFAC点亮前后的数字图片。

【结论】

综上所述，作者通过简单煅烧EDTA-4Na制备了3DNFC。3DNFC具有三维层状结构，大的层间距和高氮掺杂使得其具有高可逆容量以及K+存储的出色动力学特性。同时，3DNFC 进一步活化制得的3DNFAC具有3D分层多孔结构和超高比表面积，这使得它具有良好的电容性能。通过利用3DNFC作为阳极，3DNFAC作为阴极，制得了一个电压窗口为4.2V双碳PIHC，它可以提供高能量和功率密度（在210W kg-1时能量密度为163.5Wh kg-1, 同时在21000W kg-1时能量密度为76.4Wh kg-1）并表现出优异的循环稳定性（在2 Ag-1下10000次循环后容量保持率为91.7％）。该工作表明3DNFC // 3DNFAC PHIC器件在储能应用方面具有巨大潜力，并促进了PIHC技术的快速发展。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.04.008

本文由兰州化物所闫兴斌教授团队供稿。

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