北理工陈人杰&黄永鑫Angew.：大的层间距和杂原子掺杂揭示双碳电池中双离子存储机制！

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研究内容

随着能源领域向去化石化发展，清洁能源，特别是太阳能、风能和潮汐能，得到了迅速开发。双离子电池(DIBs)是一种很有前途的大规模储能技术。然而，材料结构如何影响阴离子储存行为仍然值得研究。

近日，北京理工大学陈人杰和黄永鑫合成了具有超大层间距离和杂原子掺杂的石墨，系统研究了石墨对DIBs的综合影响。结果显示，基于协同效应，由碳正极和锂负极组成的DIBs在100 mA g-1的电流密度下提供了240 mAh g-1的超高容量。使用石墨作为正极和负极的双碳电池(DCBs)在1 A g-1的电流密度下稳定循环2400次。相关工作以“Large Interlayer Distance and Heteroatom-Doping of Graphite Provide New Insights into the Dual-Ion Storage Mechanism in Dual-Carbon Batteries”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1.作者使用简单且可扩展的一步催化方法，在700、800和900°C等不同温度下合成了一系列层间距离为0.39至0.51 nm的N掺杂石墨。在800°C温度下处理的N-LIDG-800样品的0.51 nm的超大层间距离为阴离子储存提供了更多的空间，这大大提高了DIBs的比容量。

要点2.电化学分析和理论计算表明，杂原子掺杂的协同效应，包括提高阴离子的吸附能、降低阴离子的迁移势垒和优化阴离子的迁移路径。同时增强了界面处的快速离子存储。在DIBs的充电/放电过程中，观察到了与N-LIDG的快速阴离子嵌入相结合的显著的赝电容贡献，从而产生了一个作为“深呼吸”机制的阴离子存储过程的新模型。

要点3.基于协同效应，由碳正极和锂负极组成的DIBs在100 mA g-1的电流密度下提供了240 mAh g-1的超高容量，并稳定循环200次。此外，使用石墨作为阴极和阳极的双碳电池(DCBs)在250 mA g-1的电流密度下具有67 mA h g-1的可观容量。在1 A g-1的电流密度下稳定循环2400次。

该工作提供了一种简单有效的策略来改变石墨作为DCBs正极和负极的表面和本体结构，可为电池应用的其他功能碳材料提供参考。

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研究图文

图1. a）N-LIDGs合成示意图。b）N-LIDG-700，c）N-LIDG-800，d）N-LIGG-900的TEM(插图：N-LIDGs的高分辨率TEM）。e）N-LIDG-800的TEM和相应的C、N、O元素EDX。f）N-LIDGs的N 1s XPS。

图2. a）在基于EC和PC的电解质中，不同数量的EC或PC分子与LiFP6的溶剂化结构以及溶剂分子和PF6-与Li+的存在的溶剂化能。b）石墨正极表面的溶剂化结构图。c）Li+和PF6-在不同类型N原子位点和石墨表面的吸附能。

图3. a）N-LIDGs和石墨基DIBs的倍率容量。b）基于N-LIDGs的DIBs的循环性能和相应的库仑效率。c）不同DIBs系统在相应电流密度下的比较。d）N-LIDG-800在0.1 A g-1电流密度下的充放电特性。e）N-LIDG-800在0.1 A g-1的电流密度下循环200次前后的电化学阻抗谱。f）石墨和N-LIDG-800在DIBs中不同工作机制的说明。g）N-LIDG-700和N-LIDG-800在0.1 A g-1的电流密度下的第一次循环的充放电曲线。h）g）中电压平台值的相应比较。

图4. a）DIBs机制和离子传输的示意图。b）PF6-在不同类型N原子上迁移的迁移能。c）N-LIDG-800正极在0.1 A g-1下循环200次前后的P 2p和F 1s的XPS。d）在0.1 A g-1下循环200次前后，C-C P-F在N-LIG-800正极上的FTIR光谱。e）N-LIDG-800阴极在0.1 A g-1电流密度下循环时的原位拉曼光谱。f）N-LIDG-800正极在0.1 A g-1电流密度下循环时的原位XRD。

图5. a）基于N-LIDG-800的DIBs在不同扫描速率下的循环伏安图以及相应的b）N-LIDG-800的伪容量贡献。c）在0.8至1.8 mV s-1的不同扫描速率下，循环伏安法测试的扩散和吸收贡献。d）N-LIDG-800在不同开路电位下的EIS。e）用阿伦尼斯方程计算了N-LIDG-800的活化能。f）PF6-在N-LIDG-800中的GITT分布和相应的扩散系数。

图6. a）N-LIDG-800硬币电池的循环性能和相应的库仑效率。b）N-LIDG-800 ||N-LIDG-80袋状电池示意图。c）N-LIDG-800袋式电池的循环性能和相应的库仑效率。d）N-LIDG-800||N-LIDG-800袋式电池的图片和N-LIDG800||N-LIDG-800袋式电池分别并联和串联点亮灯泡和风扇的应用。

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文献详情

Large Interlayer Distance and Heteroatom-Doping of Graphite Provide New Insights into the Dual-Ion Storage Mechanism in Dual-Carbon Batteries

Xin Hu, Yitian Ma, Wenjie Qu, Ji Qian, Yuetong Li, Yi Chen, Anbin Zhou, Huirong Wang, Fengling, Zhang, Zhengqiang, Hu, Yongxin Huang*, Li Li, Feng Wu, Renjie Chen*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202307083

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