超轻石墨碳纳米管气凝胶，用于先进钾离子电池

1成果简介

由于钾的地球元素储量较高且化学性质与锂相似，钾离子电池（PIB）一直被视为锂离子电池的潜在替代品。考虑到钾的离子半径相对较大，现有的电极材料需要为充放电循环过程中的体积膨胀提供足够的空间，因此层间距可调的石墨碳纳米材料逐渐进入研究人员的视野。本文，杭州电子科技大学吴诗婷 副教授团队在《Nanotechnology》期刊发表名为“Heteroatom doped graphitic carbon nanotubes as freestanding anodes for advanced potassium-ion batteries”的论文，研究以纳米铜线为生长模板，以有机聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为碳源，简单地组装和退火了独立的超轻石墨碳纳米管（GCNT）气凝胶，并将其直接用作PIB的阳极。

通过调整退火参数（温度和气氛）来调节石墨碳纳米管的晶格阶数和层间距，并在热退火过程中直接在碳晶格中掺入由 PVP 衍生的 N、O 杂原子，从而优化和提高石墨碳纳米管阳极的循环容量和速率性能。研究还定量分析了 GCNT 的电化学钾储存机理。大部分钾离子通过挤入碳晶格和从碳晶格中逸出的方式可逆地储存起来，同时不同化学状态的含氧官能团也提供了活跃的氧化还原位点并贡献了部分容量。因此，我们组装的具有大内腔的GCNT可望有效地夹载活性物质，进一步构建性能优异的下一代 PIB。

2图文导读

图1.独立式和杂原子掺杂的 GCNT 气凝胶的制备及形貌图

图2.独立式和杂原子掺杂的 GCNT 气凝胶的表征。

图3.独立式和杂原子掺杂的 GCNT 气凝胶的化学分析。

图4.独立式和杂原子掺杂的 GCNT 阳极的电化学性能。

图5.独立式和杂原子掺杂 GCNT 阳极的钾储存机制。

3小结

摘要：我们以有机物（含 N 和 O 的 PVP）为碳源，在组装好的 CuNWs 表面退火并生长杂原子掺杂的 GCNT，从而制备出独立的导电 GC 气凝胶，这种气凝胶可直接用作 PIB 的阳极材料，而无需额外的导电剂和粘合剂。为了优化 GCNT 阳极材料的储钾性能，我们改变了退火参数，随着退火温度的升高，GCNT 的晶格更加有序。还原H2/Ar会削弱GCNT中的氮掺杂量，对阳极的速率性能产生负面影响。通过优化，在 700 °C 下退火的 GCNTs（氩气）有利于提高电极的容量、循环稳定性和速率能力。由于扩大了插层间距，GCNT 阳极主要通过钾的插入和脱插实现钾的可逆存储，而不同化学类型的掺杂氧也作为氧化还原位点贡献了部分容量。因此，我们量产的大内腔 GCNT 可以作为基本框架，进一步有效地装载活性材料，从而组装出具有优异循环容量和速率能力的下一代 PIB。

文献：
https://doi.org/10.1088/1361-6528/ad7b3b

来源：材料分析与应用