青島大學：具有可調缺陷N摻雜碳納米管薄膜，作為鉀離子電池陽極

2020-08-27 材料分析與應用

成果簡介

鉀離子電池（KIB）已引起人們對未來儲能技術的極大興趣。然而，現有的KIB陽極容量衰減快，速率性能差。本文，青島大學劉相紅教授團隊在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發表名為「Free-Standing N-Doped Carbon Nanotube Films with Tunable Defects as a High Capacity Anode for Potassium-Ion Batteries」的論文，研究利用有機聚吡咯材料的熱分解製備了一種獨立的柔性陽極，即摻氮碳納米管紙（NCTP），用於高性能儲鉀。

通過一系列的材料分析、表徵和電化學測試，研究了材料結構與電化學性能的相關性。研究結果表明，退火溫度對氮摻雜量、碳缺陷和石墨化程度有顯著影響。電化學測試表明，在700°C退火的NCTP表現出最佳性能，在100 mA g –1時具有250.1 mA hg –1的高可逆容量，在5 A g –1時仍具有133 mA hg –1的優異速率能力。材料的優良電化學性能是由於材料的適度氮摻雜、碳缺陷和高導電性的協同作用。本研究所提出的簡便的熱解策略及令人感興趣的性能，可為開發高性能KIB陽極材料提供參考。

圖文導讀

圖1. NCTP的示意性製造過程和數字圖像。


圖2.在不同溫度（a，d）600，（b，e）700和（c，f）800°C下熱解獲得的NCTP的TEM和HRTEM圖像；（g–i）在700°C下獲得的NCTP的HAADF-STEM圖像和相應的EDS元素圖。


圖3.（a）XRD圖，（b）拉曼光譜，（c）XPS調查和（d）NCTP的C 1s和（e）N 1s在600、700和800下獲得的高解析度XPS光譜°C，以及（f） 碳。


圖4.（a）在（b）600，（c）700和（d）800°C下獲得的NCTP硬幣型半電池和CV曲線的示意圖。


圖5.（a）從0.1到1.2 mV s –1的不同掃描速率下的CV曲線。（b）不同電位下的b值（插圖中的對數i和對數v擬合線的斜率）。（c）不同掃描速率下的電容和擴散貢獻。（d）在700°C下獲得的NCTP 在1.2 mV s –1時的擴散貢獻和電容（陰影區域）。


小結

通過使用PPy管狀纖維作為前體的簡單熱解策略合理設計了獨立式NCTP。通過改變熱解溫度，可以優化NCTP的石墨化程度、缺陷的相對數量和N摻雜量。NCTP的高可逆容量和循環穩定性反映了NCTP作為kib陽極的優異電化學性能。NCTP的高性能可歸因於其互連結構、高摻氮量、豐富的碳缺陷以及管狀碳纖維的最佳石墨化等協同作用。本課題所設計的具有可調缺陷的高性能碳材料為KIB陽極材料的發展提供了一種有前景的方法。


文獻：

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