ACS Energy Letter：N/S双掺杂碳用于钾电池

纳米技术

2020-04-27

碳纳米材料在钾离子电池中展现了较高的应用前景，但是碳材料中层间距范围较窄，使其在钾离子电池中的应用受到限制，北京大学郭少军等报道了由S/N掺杂的石墨烯纳米片组成的3D多孔碳材料，层间距为0.448 nm，并且具有丰富的边缘缺陷位点，在钾离子电池中展现了非常好的应用，50 mA/g中的可循环容量达到348.2 mAh/g，是目前报道中的最好结果。

本文要点：

（1）材料合成方法。三聚氰胺、三聚氰酸、F127通过自组装形成具有一定排列规律的中间体物种，随后通过热解方法得到N掺杂的碳纳米结构材料，随后在硫粉作用实现硫掺杂，分别在700 ℃，800 ℃，900 ℃中热解材料，结果显示改变煅烧温度后，层间距分别为0.368 nm, 0.422 nm, 0.386 nm。800 ℃中煅烧的样品显示大量N掺杂和边缘缺陷位点，因此层间距较大，900 ℃中煅烧的样品中碳有更高的石墨化程度。XPS结果显示800 ℃中煅烧的样品中N含量达到21.26 %，并且具有大量的吡咯氮（N5）和吡啶氮（N6）。Raman结果显示材料中I_D/I_G的值为1.11，进一步说明了较高的缺陷浓度。当对材料进行硫掺杂后，层间距进一步提高为0.448 nm，XPS的C谱中显示具有C-S-C型碳、sp² C、sp³ C、C-N/C=O，π-π*几种峰，XPS中的S谱中显示C-S-C的峰和C-SO_x-C的峰，同时硫化后的样品中N5和N6型的碳占比得以提高。

（2）循环性能结果显示在2000 mA/g能量密度中展现了204.3 mAh/g容量，在1000 mA/g能量密度循环2000次后仍保持了188.8 mAh/g的容量。密度泛函理论结果显示，S/N掺杂在边缘位点形成缺陷结构，提高了层间距，并改善了电池循环过程中的K⁺吸附性能。

参考文献

Wenxiu Yang, Jinhui Zhou, Shuo Wang, Zichen Wang, Fan Lv, Wenshu Zhang, Weiyu Zhang, Qiang Sun, Shaojun Guo*

3D Carbon Framework Constructed by N, S co-doped Graphene Nanosheets with Expanded Interlayer Spacing Facilitates Potassium-Ion Storage，ACS Energy Lett. 2020

DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00413

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00413