【电池】Adv. Funct. Mater. 氮掺杂、富缺陷纳米碳材料用于钾离子电池，表现超优异电化学性能

石墨负极在锂离子电池中备受关注，但其在钾离子电池中一直存在许多局限性。电池在充放电的过程中，钾离子在石墨晶格中的脱嵌会造成体积变化，且扩散系数很低。

相较于石墨，含有几个碳层的纳米碳材料将是KIB的理想负极，超薄的碳层可以使钾离子快速脱嵌。如果再通过杂原子掺杂引入缺陷，那电池的各方面性能都将大幅度提高。

有鉴于此，阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef等人制备了一种氮掺杂、富缺陷的纳米碳材料，并将其用于钾离子电池负极。

通过控制乙二胺四乙酸镍配位化合物的热解温度，可以进一步调控纳米碳材料的缺陷密度。

XRD表征说明随着温度提高，(002)峰越来越强，说明碳材料趋近于结晶化，且GNC600, GNC700和GNC800的缺陷值分别为2.04,  6.63, 和14.5。拉曼图中ID/IG的比值也可进一步证明XRD表征。GNC600, GNC700和GNC800的比表面积分别为305.1, 196.1和122.7 m2 g−1，总孔容分别为0.616, 0.561和0.419 cm3 g−1。在XPS中，sp2/(sp2 + sp3)的比值分别为63.7%, 78.0%和83.4%。

GNC800材料的CV有两组峰，C1, A1和C2, A2，均与扩散控制的法拉第过程有关。首圈0.7 V的还原峰是电极材料界面处SEI的形成。随着扫速的增加，A1和A2逐渐向高电位移动，而C2和C1逐渐向低电位偏移，进一步表现出扩散控制的法拉第过程。通过计算，A2和C2的b值分别为0.826和0.885，表现出快速法拉第反应过程；而C1和A1的b值分别为0.503和0.526，表现处扩散控制的法拉第行为。

该纳米碳材料的电化学性能非常优异，600 °C下制备的GNCs材料在50 mA g⁻¹的电流密度下容量为280 mAh g⁻¹。在200 mA g⁻¹ 的电流密度下循环200圈，仍旧有189 mA g⁻¹的容量可以保留。

作者通过多种表征方法证实了GNCs的钾离子储存机理不同于石墨的钾离子储存机理，简单地说，富缺陷的GNCs材料更适合钾离子嵌入。

在非原位TEM表征中，初始电极材料的晶格间距为0.342nm，当钾离子嵌入之后，晶格间距扩大到0.386nm，对应着KC₂₄的形成。当放电至电位为0.001V时，出现KC₈，其晶格间距为0.362nm，随后钾离子脱出，晶格间距回到初始值。

该工作以“Graphitic Nanocarbon with Engineered Defects for High‐PerformancePotassium‐Ion Battery Anodes” 为标题于2019年6月22日发表在国际顶刊Adv.Funct. Mater.上。

Graphitic Nanocarbon with EngineeredDefects for High‐Performance Potassium‐Ion Battery Anodes. (Adv. Funct.Mater., 2019，DOI: 10.1002/adfm.201903641)

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.201903641