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我院先进化学电源研究所在煤沥青基炭材料及电化学储钾取得进展

发布者:杨笑宇发布时间:2022-10-10浏览次数:405

我院先进化学电源研究所在煤沥青基炭材料及电化学储钾取得进展

钾离子电池作为新兴储能体系,因钾资源储量丰富、氧化还原电势较低等优势,在对体积能量密度要求不高的大型储能领域表现出极具潜力的应用前景。开发高性能炭负极材料是提升其综合性能的关键。孔隙工程有助于突破炭材料储钾理论容量,缓解K+扩散动力学迟滞,实现高容量、高倍率电化学储钾,但设计先进、合理的多孔炭材料以确保K+快速扩散动力学仍然是高速率储钾的迫切需要。

近日,我院先进化学电源研究所陈亚鑫/鞠治成等在炭材料及储能应用领域取得进展。针对微孔主导的传统多孔炭材料不利于K+的快速扩散动力学的问题,报道了一种通用的原位“粉化-再聚集”策略用于炭材料的孔隙扩张,助力快速电化学储钾。相关成果以“Pulverization–Reaggregation”-induced in situ pore expansion in carbon for fast potassium storage为题发表于国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A (IF = 14.511TOP),并以Back Cover做亮点报道。我院2020级硕士生耿超为第一作者,学院先进化学电源研究所青年教师陈亚鑫和鞠治成副教授为共同通讯作者,中国矿业大学为唯一通讯单位。

该工作以沥青为炭前体,通过碱性碳酸盐的原位粉碎-聚集,实现了孔隙从无到有再到对孔径扩展的精准调制。以沥青/碱式碳酸镁为例,片状的碱式碳酸镁在热解过程中原位粉碎成纳米MgO颗粒,在炭纳米片(CNS)中引入了丰富的孔隙。然后纳米MgO颗粒在进一步的高温处理过程中重新聚集,会对炭基体进行蚀刻,从而诱导孔径从5.0 nm扩展至9.3 nm。同时,扩孔策略成功实现了对炭结构的调制,提升了炭缺陷密度。研究表明,大孔径的炭负极具有更快K+传输动力学,富缺陷具备丰富的储钾活性位点,实现了炭负极材料的高储钾容量和优异的倍率性能。这项工作为孔隙工程提供了有力的设计思路,并为炭材料中钾的快速储存提供了机制上的见解。

1 模板的粉碎-再聚集过程与孔径尺寸的精准调变

炭材料缺陷结构设计及电化学储能应用


本研究得到国家自然科学基金(21975283, 22279162)、江苏省自然科学青年基金(BK20221138)、碳基能源化学与利用国家重点实验室(KFKT2021007)、中国科学院碳材料重点实验室(KLCMKFJJ2010)和中国矿业大学材料科学与工程学科指导基金(CUMTMS202205) 的资助。感谢中国矿业大学现代分析与计算中心在材料表征方面的帮助。

原文链接:Chao Geng, Yaxin Chen,* Zongfu Sun, Weijia Guo, Jiangmin Jiang, Yongli Cui, Yueli Shi, Quanchao Zhuang and Zhicheng Ju,* “Pulverization–Reaggregation”-induced in situ pore expansion in carbon for fast potassium storage, Journal of Materials Chemistry A, https://doi.org/10.1039/D2TA04883C